Модульный принцип синтеза транспортных и технологических систем

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 629.014.5

Е. Е. Баженов

МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП СИНТЕЗА ТРАНСПОРТНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Аннотация. На основе системного анализа предложен метод структурной оптимизации транспортных систем высокой проходимости и показана возможность синтеза ансамбля транспортных и технологических машин для отраслей национальной экономики.

Ключевые слова: сочлененные транспортные и технологические системы, активные сочлененные транспортные и технологические системы, энергетический модуль.

Abstract. On the basis of systematic analysis of a method for structural optimization of transport systems with high cross and the possibility of synthesis of an ensemble of transport and technological equipment for domestic industries.

Keywords: articulated vehicles and technological systems, active articulated vehicles and technological systems, power module.

Введение

Работа транспортно-технологических машин в некоторых отраслях экономики весьма специфична. Это связано с их эксплуатацией на временных дорогах или в условиях бездорожья. В лесной промышленности, например, эксплуатация транспортных и технологических систем происходит в основном на упрощенных временных дорогах, которые составляют около 40 % лесовозных дорог всех типов. В сельском хозяйстве удельный вес транспортных работ в годовой занятости колесных тракторов превышает 50 %, и большая часть их приходится на временные дороги, полевые условия и т.п. При неблагоприятных погодных условиях, особенно в зонах «рискованного земледелия», такие дороги становятся существенным препятствием при транспортировке продукции.

В связи с этим в работе рассматриваются транспортные системы, предназначенные для эксплуатации преимущественно на бездорожье, временных дорогах или дорогах в неудовлетворительном состоянии. Такие дорожные условия ограничивают перемещение транспортной системы как по опорносцепным, так и тягово-скоростным свойствам.

1. Пути совершенствования транспортных систем

Из всего комплекса эксплуатационных свойств, наиболее характерных для транспортных систем высокой проходимости, целесообразно принять к более детальному рассмотрению тягово-скоростные свойства и проходимость. Эти эксплуатационные свойства наиболее полно характеризуют

эффективность транспортно-технологического процесса, выполняемого машиной высокой проходимости.

Эффективность транспортной операции зависит от скорости передвижения транспортной системы и величины перевозимого ею груза. Увеличение нагрузки на транспортные системы ведет к необходимости увеличения опорной поверхности движителя, так как существуют ограничения допустимого давления на грунт. Но и увеличение опорной поверхности ограничивается габаритными показателями [1].

Обеспечение требуемых эксплуатационных характеристик при существующих массовых, габаритных и функциональных ограничениях, характерных прежде всего для транспортных и транспортно-технологических машин, имеет существенные особенности [2, 3]:

- существенное увеличение грузоподъемности транспортных систем и нагрузки на движители ограничивается низкой несущей способностью временных дорог и грунтов;

- необходимо увеличение скорости движения и повышение энергонасыщенности транспортных и транспортно-технологических систем.

Системный анализ позволяет указать два пути совершенствования транспортных систем для улучшения выбранных эксплуатационных показателей: параметрический и структурный (рис. 1). Параметрическая оптимизация при сохранении структуры не всегда обеспечивает требуемый результат. Более результативным является совершенствование структур транспортных систем.

Рис. 1. Системный подход к объекту исследования

Появление новых, более энергонасыщенных многооперационных машин позволяет механизировать большинство работ в отраслях лесного, сельского хозяйства, нефтегазового и горнодобывающего комплексов и других направлениях национальной экономики. Одним из перспективных конструктивных решений транспортных и технологических систем для эксплуатации в условиях зимних дорог, грунтовых дорог в период распутицы и других спе-

цифических условиях являются сочлененные транспортные системы (СТС). СТС включают в себя целый спектр транспортных, технологических и транспортно-технологических машин, имеющих, как минимум, две секции, соединенные между собой шарниром с одной или более степенями свободы [2-4].

Кроме того, некоторые СТС имеют специфическую конструкцию рулевого управления. Распределение силового потока от источника энергии между тяговой и прицепной (технологической) секциями СТС ведет к созданию отдельного класса машин - активных сочлененных транспортных систем (АСТС). Как частный, но довольно широко распространенный случай АСТС рассматриваются автопоезда с активными прицепами (ААП). От степени активизации движителей системы зависит проходимость АСТС.

АСТС имеют следующие преимущества перед одиночными машинами:

- возможность обеспечения высоких тягово-сцепных показателей;

- наилучшие показатели профильной проходимости, хорошую приспо-сабливаемость секций к рельефу местности в поперечной плоскости (вследствие этого более равномерное распределение вертикальных нагрузок по длине опорной поверхности);

- снижение потерь мощности при повороте за счет осуществления его путем складывания секций;

- большую площадь реализации тяговых сил на грунте;

- возможность принудительного складывания секций в вертикальной плоскости, что создает дополнительную возможность преодоления сильно деформируемых грунтов и естественных препятствий на местности;

- значительное увеличение устойчивости положения при использовании грузоподъемного технологического оборудования и устойчивости движения при маневрировании.

Основой структурной оптимизации АСТС может служить модульный принцип синтеза транспортных и технологических систем (рис. 2). Модульный принцип построения ансамбля машин предусматривает наличие одного энергетического модуля, с которым, в зависимости от выполняемой технологической операции, соединяется соответствующий технологический модуль.

Рис. 2. Модульный принцип синтеза транспортных и технологических машин

Многие технологические операции, например в сельском хозяйстве, выполняются не одновременно, а, в зависимости от специфики технологического процесса, имеют определенную последовательность. В этом случае нецелесообразно иметь специальные технологические машины, имеющие силовые установки. Многие технологические операции выполняются в течение 10-12 дней в году, а содержание силовых установок предусматривает наличие в штате предприятия специально подготовленных специалистов, наличие расходных материалов, оборудования для технического обслуживания и т.п.

На рис. 3 показан пример создания ансамбля машин для сельского хозяйства. Подобные компоновочные решения могут успешно применяться в лесной, горнодобывающей отраслях и в оборонном комплексе.

Пропашная Уборочная

секция \ / секция

Посевная Энергетический Транспортная

секция модуль секция

Культивационная

секция

Рис. 3. Модульный принцип синтеза ансамбля машин для сельского хозяйства

2. Обоснование применения сочлененных транспортных систем

Рассмотрим двухсекционную сочлененную транспортную систему, состоящую из трехосного тягача и двухосного полуприцепа. Возможные колесные формулы такой транспортной системы приведены в табл. 1.

Примем в качестве критерия для сравнения различных схем транспортной системы по опорно-сцепной проходимости коэффициент проходимости по сцеплению ведущих колес с грунтом:

Ff

Пф= 1---------f------,

V п m

^ ^ тах /=1 /'=1

где Ff - сила сопротивления качению транспортной системы; Fфijmax - максимальная сила сцепления на //-м ведущем колесе транспортной системы; п -число колес на ведущей оси транспортной системы; т - число ведущих осей транспортной системы.

Подставив в правую часть равенства значения сил, получим

Пф= 1 - ,

£Сц •ф

где f - коэффициент сопротивления качению транспортной системы; £сц -коэффициент сцепной массы; ф - коэффициент сцепления ведущих колес с опорной поверхностью.

Таблица 1

Колесные формулы сочлененных транспортных систем

Схема транспортной системы Колесная формула

‘О '()() 10x4

"• •• '()() ^— У\ У\ ^ 10x6

• •• її 10x10

колеса, имеющие привод

Для определения коэффициента проходимости необходимо знать характеристики опорной поверхности (коэффициенты сцепления и сопротивления) и величину коэффициента сцепной массы. Выберем для сравнения четыре вида опорной поверхности, средние значения коэффициентов сцепления и сопротивления которых приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения коэффициентов сцепления и сопротивления

Тип дороги Ф Г

1. Обледенелая 0,10 0,02

2. Укатанный снег 0,30 0,04

3. Мокрые гравий, щебень 0,40 0,04

4. Грунт в распутицу 0,25 0,15

Для сравнения схем примем распределение общего веса транспортной системы по мостам в соответствии с паспортом тягача, а распределение веса прицепного звена в соотношении один к двум, т.е. одна треть веса прицепного звена приходится на тягач, а две трети - на опорную тележку прицепа.

В табл. 3 приведены результаты расчетов коэффициента проходимости по сцеплению для ряда транспортных систем. Как видно, коэффициент проходимости по сцеплению повышается с увеличением коэффициента сцепной массы.

Таблица 3

Значение параметра проходимости сочлененных транспортных систем на различных типах опорной поверхности

Марка тягача Колесная формула Коэффи- циент сцепной массы Параметр проходимости на грунте

Обле- денелый Грунт в распутицу Укатан- ный снег Мокрые гравий, щебень

1. Зил 442160 (66,67) 8x2* 0,43 0,535 -0,395 0,690 0,797

8x6** 0,84 0,762 0,286 0,841 0,896

2. КамАЗ 44108-02 10x6* 0,60 0,667 0,000 0,778 0,854

10x10** 1,00 0,800 0,400 0,867 0,913

3. КамАЗ 54115-13 10x4* 0,44 0,545 -0,364 0,697 0,801

10x8** 0,87 0,770 0,310 0,847 0,899

4. МАЗ 642205 (08) 10x4* 0,40 0,500 -0,500 0,667 0,781

10x8** 0,86 0,767 0,302 0,845 0,898

5. МАЗ 643008 10x4* 0,46 0,565 -0,304 0,710 0,810

10x8** 0,85 0,765 0,294 0,843 0,897

6. МАЗ 643068 10x4* 0,54 0,630 -0,111 0,753 0,838

10x8** 0,85 0,765 0,294 0,843 0,897

7. МАЗ 543202 (03,05,08) 8x2* 0,29 0,310 -1,069 0,540 0,698

8x6** 0,81 0,753 0,259 0,835 0,892

8. МАЗ 642205 (90,96,97) 8x2* 0,40 0,500 -0,500 0,667 0,781

8x6** 0,87 0,770 0,310 0,847 0,899

9. Урал 44202-0311 10x6* 0,60 0,667 0,000 0,778 0,854

10x10** 1,00 0,800 0,400 0,867 0,913

10. MAN F2000/ E2000Т12 10x6* 0,29 0,310 -1,069 0,540 0,698

10x10** 1,00 0,800 0,400 0,867 0,913

11. Mercedes-Benz 4853 S 12x4* 0,18 -0,111 -2,333 0,259 0,514

12. TATRA T815-260 N 25 10x6* 0,34 0,412 -0,765 0,608 0,743

10x10** 1,00 0,800 0,400 0,867 0,913

13. TATRA T815-26 AN 34 10x6* 0,44 0,545 -0,364 0,697 0,801

10x10** 1,00 0,800 0,400 0,867 0,913

* Сочлененная транспортная система с одним пассивным полуприцепом.

** Сочлененная транспортная система с одним активным полуприцепом.

Неравенство

FFk ^ Fp

определяет предельные условия проходимости транспортной системы по сцеплению и сопротивлению. Здесь Fy, Fp, Fk - сила сопротивления, сила

сцепления и суммарная касательная сила тяги транспортной системы.

Как известно, динамический фактор определяет возможность транспортной системы преодолевать сопротивления перемещению:

^ Fn Gn •

D =—^ ~ а J---------------- = ш,

Ga Ga ^

где ¥а - свободная сила тяги, ¥а = - ^; ^ - сила сопротивления воздуш-

ной среды; а - угол подъема (спуска) опорной поверхности, град.; у - коэффициент суммарного сопротивления движению транспортной системы.

Тяговые возможности транспортной системы, ограниченные сцепными возможностями шин и опорных поверхностей, характеризует динамический фактор по сцеплению:

М _ Рф _ р ~ Осц -ф ~ ксц • Оа -ф _ и ф Мф _ ~р, ~ ~р, ~ ~р, _ ^сц •ф,

Оа Оа Оа

где ф - коэффициент сцепления ведущих колес с опорной поверхностью.

В соответствии с (3) движение транспортной системы будет возможно только тогда, когда значения динамического фактора на соответствующих передачах будут находиться ниже значения динамического фактора по сцеплению. На рис. 4 показана динамическая характеристика активной сочлененной транспортной системы на базе тягача Урал 44202-031 и полуприцепа.

В

0,21

0,18

0,15

0,12

0,09

0,06

0,03

\±

Л I

\ / д

/ д

Л II

\ / 1 ^ III

—> \ IV

V

с

0 10 20 30 40 50 60 70 V, км/ч

Рис. 4. Динамическая характеристика автомобиля Урал 44202-0311:

1, 2 - динамический фактор по сцеплению на дороге, покрытой льдом (соответственно при ксц = 0,6 и ксц = 1); 3, 4 - динамический фактор по сцеплению на грунтовой дороге в распутицу (соответственно при ксц = 0,6 и ксц = 1); 1-У - динамический фактор на соответствующих передачах

Из графика видно, что при коэффициенте сцепной массы, равной 0,6 (пассивная сочлененная транспортная система), движение возможно только на третьей, четвертой и пятой передачах в коробке перемены передач. В случае активизации колес прицепного состава, когда коэффициент сцепной массы становится равным единице, движение возможно и на второй передаче. Таким образом, если у транспортной системы полностью используется грузоподъемность, то на обледенелой дороге в случае отсутствия активизации колес прицепного состава вероятность потери проходимости по сцеплению возрастает.

3. Применение СТС в добывающих отраслях экономики

Рассмотрим возможность создания сочлененной транспортной системы с большегрузным прицепным звеном и соответствующим ему по сцепным возможностям тяговым звеном для горнодобывающей промышленности.

Примем в качестве аналога по грузоподъемности автомобиль-самосвал БелАЗ-75170 (табл. 4) и коэффициент грузоподъемности большегрузного прицепа кп = 4.

Таблица 4

Сравнительная характеристика автомобилей-самосвалов

Модель и марка автомобиля Грузоподъемность прицепного звена Qп, т Масса тягача От, т Мощность двигателя Р, кВт Коэффициент грузоподъемности к

1. БелАЗ-75450 45 35 447 1,3

2. БелАЗ-75570 90 74 783 1,2

3. БелАЗ-75170 160 134 1600 1,3

4. БелАЗ-75302 220 151,6 1715 1,45

5. МАЗ-555131 8 10,2 140 0,7

6. МАЗ-555102-220 8 10 169 0,8

7. КамАЗ-65111 14 11,05 180 1,27

8. КамАЗ-6540 18,5 12,35 191 1,5

Основные параметры сочлененного транспортного средства могут быть определены на основе тягового и энергетических расчетов СТС. Дорожные условия открытых горных разработок характеризуются коэффициентом сопротивления качению / руководящим уклоном / и рабочей скоростью транспортной системы V (/ = 0,02, i = 7-10 %, V = 10 км/ч).

Собственная масса прицепного звена: Сп = Qп/кп ; общая масса прицепа* ^пр Qп + Оп.

Для равномерного прямолинейного движения к буксирному устройству прицепного звена необходимо приложить силу 7кр, равную силе суммарного сопротивления движению

77 = 77

* кр

Мощность Рп, затрачиваемая на буксировку прицепного звена:

Рп = 7Кр  V.

Мощность двигателя тягача:

Рп

Рд =

Л

тр

С учетом запаса мощности на преодоление непредвиденных сопротивлений эффективную мощность двигателя следует принять на 10-15 % выше расчетной

Ре = 1,15Рд.

Расчеты показывают, что мощность проектируемого СТС соответствует мощности двигателя автомобиля-самосвала БелАЗ-75170.

Вес тягового звена выберем из условия отсутствия буксования ведущих колес. Условие движения транспортной системы при отсутствии буксования колес:

< 7ф,

где 7к - продольная сила на колесах тягача; 7ф - сила сцепления колес с грунтом (сила тяги по сцеплению),

7ф = Оф^ ф,

где ОФ - сцепная масса тягача; ф - коэффициент сцепления ведущих колес с опорной поверхностью для открытых горных разработок.

Для полноприводных систем

Оф = От.

При граничных по сцеплению условиях

7К = 7ф.

Для возможности буксирования прицепа необходимо, чтобы продольная сила 7к была не меньше суммарной силы сопротивления движению прицепа

= Туп = 7Кр.

В табл. 5 приведены массовые показатели существующего автомобиля-самосвала грузоподъемностью 160 т и проектируемого по принципу структурной оптимизации. Разница в общей массе существующего и проектируемого автомобилей - 29 т. То есть в случае применения тягача с прицепом, когда тягач выполняет только тяговую функцию, перемещение груза осуществляется транспортной системой, имеющей собственную массу на 10 % меньше базовой.

Таблица 5

Сравнительная характеристика базового и проектируемого вариантов

БелАЗ-75170 (базовый вариант) Проектируемый

Собственная масса 134 т Собственная масса тягача 65 т

Грузоподъемность 160 т Грузоподъемность 160 т

Общая масса 294 т Общая масса 265 т

Коэффициент грузоподъемности 1,19 Коэффициент грузоподъемности 1,55

Масса прицепа 40 т

Рассматриваемая система обеспечивает транспортную операцию, реализуя тяговые усилия только на колесах тягача. Рассмотрим тот же вариант транспортной системы, но примем прицепную секцию активной. В этом случае тяговое звено будет выполнять только энергетическую функцию, т.е. на нем будет располагаться силовая установка, а силовой поток будет передаваться на ведущие колеса прицепной секции и, частично, на колеса тягового звена, обеспечивая возможность его автономного перемещения.

Примем удельную мощность двигателя 0,25 кВт/т. В этом случае масса тягового звена, где будет располагаться силовая установка с учетом рамы, ходовой части и дополнительного оборудования, составит около 10 т.

Общая масса транспортной системы будет

О = Оп + Qп + От = 160 + 40 + 10 = 210 т.

Мощность, необходимая для перемещения этой массы, составит около 1600 кВт, что не превышает мощность силовой установки сравниваемого варианта. При этом собственная масса транспортной системы составит 50 т, что на 84 т ниже базовой.

Доработка открытых горных выработок связана с необходимостью движения транспортной системы по дорогам, имеющим большой уклон и невысокий радиус кривизны в плане. Применение колесных транспортных систем в таких условиях нецелесообразно из-за необходимости разворота в ограниченном пространстве и ограничения сцепных свойств колесного движителя по дорогам в карьерах.

В этих условиях наиболее целесообразно применение многокомплектных короткобазных гусеничных транспортных систем, имеющих возможность двигаться без разворотов, в режиме «тяни-толкай».

Выпускаемые оборонным комплексом транспортные платформы, на которых размещаются некоторые виды вооружения (артиллерийские установки, зенитные ракетные комплексы), наиболее подходят для роли тяговых сочлененных транспортных систем в горнодобывающей промышленности. Приведенные расчеты показывают, что целесообразно разрабатывать комплексы машин для открытых горных выработок на базе СТС и АСТС.

Заключение

На основании системного анализа транспортных и технологических машин следует считать рациональным применение структурной оптимизации для формирования облика перспективных транспортных и транспортнотехнологических систем высокой проходимости.

Список литературы

1. Проектирование полноприводных колесных машин : в 3 т. : учебник для вузов / Б. А. Афанасьев, Н. Ф. Бочаров, Л. Ф. Жеглов [и др.] ; под общ. ред. А. А. Полун-гяна. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - Т. 1. - 496 с.

2. Баженов, Е. Е. Теория автомобиля и трактора / Е. Е. Баженов. - Екатеринбург : УГТУ - УПИ, 2000. - 126 с.

3. Баженов, Е. Е. Сочлененные транспортные и технологические системы / Е. Е. Баженов. - Екатеринбург : УГТУ - УПИ, 2009. - 174 с.

Баженов Евгений Евгеньевич

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобили и тракторы, Уральский государственный технический университет - УПИ имени Первого Президента Б. Н. Ельцина

E-mail: st194@yandex.ru

Bazhenov Evgeny Evgenyevich Candidate of engineering sciences, associate professor, head of sub-department of automobiles and tractors,

Ural State Technical University -

Ural Polytechnic University

named after the First President B. N. Eltsin

УДК 629.014.5 Баженов, Е. Е.

Модульный принцип синтеза транспортных и технологических систем / Е. Е. Баженов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 2 (14). - С. 78-88.