Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

91

падная Сибирь, Крайний Север) при отсутствии наземных и водных путей или при невозможности их использования по климатическим условиям.

Наибольшее применение получили вертолеты. Грузы располагают внутри фюзеляжа, а негабаритные грузы или в случае отсутствия посадочной пло­ щадки — на системе внешних подвесок. Грузоподъемность, дальность и ско­ рость полета зависят от взлетной массы вертолета, по которой они разделя­ ются на классы. Вертолеты различных классов стали все шире использоваться при сооружении высотных объектов (телебашен, ретрансляторов, доменных печей, труб и др.), а также при установке на фундаменты колонн, реакторов, опор линий электропередач. Они оборудованы системой внешних подвесок, а для удобства ведения монтажных работ – дополнительной кабиной, из кото­ рой пилотом­оператором ведется управление вертолетом и операциями по монтажу конструкций. Максимальная взлетная масса вертолетов составляет примерно 43 т, максимальная масса груза на внешней подвеске –11 т.

Конвейеры и пневмотранспортные установки также относятся к основ­ ным видам транспортирующих машин, применяемых в строительстве. Кон­ вейерами перемещают сыпучие кусковые материалы, штучные грузы, а также пластичные смеси бетонов и растворов. В пневмотранспортных установках мелкий или порошкообразный материал перемещается по трубам во взве­ шенном в потоке воздуха состоянии или в специальных контейнерах с заклю­ ченным в них материалом. Свойство многих порошкообразных и пылевидных материалов – приобретать подвижность при насыщении их воздухом – широ­ ко используется в разгрузчиках цемента, автоцементовозах и других маши­ нах.

2.2. Грузовые автомобили, тракторы, пневмоколесные тягачи

Грузовыми автомобилями, тракторами, пневмоколесными тягачами и созданными на их основе прицепными и полуприцепными транспортными средствами общего и специального назначения осуществляются основные пе­ ревозки строительных грузов в строительстве. Кроме того, автомобили, трак­ торы и тягачи используются как тяговые средства прицепных и полуприцеп­ ных строительных машин, а также в качестве базы для кранов, экскаваторов, бульдозеров, погрузчиков, бурильных установок, коммунальных и других машин.

Автомобили, тракторы, тягачи изготовляются серийно, поэтому многие их сборочные единицы широко используются в конструкциях различных строи­ тельных машин.

Грузовые автомобили. Основными частями грузового автомобиля массо­ вого производства являются двигатель, кузов 2 и шасси 3 (рис. 2.1). Шасси включает силовую передачу (трансмиссию), несущую раму, на которой уста­ новлены двигатель, кабина, передний и задние мосты с пневмоколесами; уп­

92

ругая подвеска, соединяющая мосты с рамой, механизм управления и элек­ трооборудование.

По конструкции кузова различают автомобили общего назначения и спе­ циализированные. Автомобили общего назначения имеют кузов в виде неоп­ рокидывающейся открытой платформы с откидными бортами для перевозки любых видов грузов, специализированные — для перевозки определенного вида груза.

Рис. 2.1. Грузовые автомобили общего назначения:

а)– с открытой платформой и бортами:1− двигатель; 2− кузов; 3− рама; б) – тягач с седельно­сцепным устройством: 1− рама; 3− надрамник;

4− седельно­сцепное устройство

Кроме того, грузовые автомобили классифицируются по типу двигателя, проходимости, грузоподъемности и другим факторам. На грузовых автомо­ билях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине или газе, на тяжелом топливе (дизельные), газотурбинные. Ди­ зельные двигатели получили преимущественное распространение, газотур­ бинные применяют на автомобилях очень большой грузоподъемности. В за­ висимости от грузоподъемности мощность двигателей автомобилей общего назначения 60...220, а автомобилей тягачей достигает 500 кВт.

Автомобили повышенной и высокой проходимости в зависимости от типа движителя разделяются на колесные, колесно­гусеничные, на воздушной по­ душке и автомобили­амфибии. Внедорожные автомобили применяют на стройках и разработках полезных ископаемых открытым способом и исполь­ зуются на дорогах со специальным основанием.

Основным базовым параметром, по которому классифицируются грузовые автомобили, является номинальная грузоподъемность, устанавливаемая заво­ дом­изготовителем. Существующая структура отечественных грузовых авто­ мобильных транспортных средств классифицируется в соответствии с норма­ лью ОН 025 270 – 66, табл. 2.1.

Таблица 2.1. Классификация и система обозначения грузовых автомобилей

93

Первая цифра обозначает класс АТС по полной массе для грузового авто­ мобиля, прицепа или полуприцепа. Вторая цифра указывает на тип АТС: 3 – грузовой бортовой автомобиль или пикап; 4 – седельный тягач; 5– самосвал; 6–цистерна; 7–фургон; 8– резервная цифра; 9– специальное АТС. Третья и четвертая цифры индексов указывают на порядковый номер модели, пятая цифра – модификация автомобиля, шестая – вид исполнения: 1– для холод­ ного климата: 6– экспортное исполнение для умеренного климата; 7 – экс­ портное исполнение для тропического климата.

Некоторые АТС имеют в своем обозначении приставку 01, 02, 03 и др. Это указывает на то, что базовая модель имеет модификации. Право присвоения цифрового индекса представлено Научно­исследовательскому институту (НАМИ). Перед полным цифровым индексом ставится через дефис буквен­ ное обозначение (марка) завода изготовителя Газ, ЗИЛ. КрАЗ. КамАЗ, Урал. УАЗ.

Главным параметром, определяющим конструкцию автомобиля, является нагрузка на одиночную ось. Правилами дорожного движения установлены предельные нагрузки на одиночную ось автомобиля — 100 кН для дорог с усовершенствованным покрытием и 60 кН для общей дорожной сети. Эти требования не распространяются на внедорожные автомобили. Для обеспече­ ния высокой проходимости и требований по нагрузке на ось бортовые авто­ мобили и седельные тягачи выпускаются с двумя, тремя ведущими осями и более (рис. 2.1, б). Такие автомобили получили большое распространение. Прицепы и полуприцепы разделяются на прицепы, буксируемые автомоби­ лем с помощью дышла (одно­, двух­ и многоосные), прицепы­роспуски для перевозки длинномерных грузов, полуприцепы, буксируемые седельными тя­ гачами. Седельные тягачи изготовляют на базе шасси бортового автомобиля, но с укороченной базой (рис. 2.1, б). На раме 3 такого тягача укрепляется опорная плита с седельно­сцепным устройством 4, которое воспринимает на­ грузку от полуприцепа и передает ему тяговое усилие, развиваемое двигате­ лем автомобиля.

По грузоподъемности грузовые автомобили разделяются на автомобили малой, средней, большой и особо большой (внедорожные автомобили) грузо­ подъемности. Грузоподъемность наиболее распространенных грузовых авто­ мобилей с бортовой платформой составляет: типа ЗИЛ — 6500 кг, типа Ка­ мАЗ — 8000...11 000 кг, типа МАЗ—12 000 кг, типа КрАЗ — 14 500 кг. На

94

рис. 2.2. приведены схемы силовых передач с одной и несколькими ведущими осями. Крутящий момент от двигателя (рис. 2.2, а) к ведущим колесам 8 пе­ редается через силовую передачу. Она состоит из постоянно замкнутой фрик­ ционной муфты (сцепления) 2, выключение которой позволяет отключать двигатель при переключении передач, ступенчатой коробки перемены пере­ дач 3 с переменным передаточным числом для согласования крутящего мо­ мента на колесах 8 с моментом сопротивления движению и обеспечения дви­ жения автомобиля задним ходом, карданного вала 4, главной передачи 5, со­ стоящей из двух конических зубчатых колес и увеличивающей крутящий мо­ мент на ведущих колесах, дифференциала 6, позволяющего колесам вращать­ ся с различной частотой на криволинейных участках пути, и двух полуосей 7, передающих вращение закрепленным на них колесам. Главная передача, дифференциал и полуоси, закрепленные в кожух, называются ведущим мос-

том.

Дифференциал устроен следующим образом (рис. 2.2,г). На внутренних концах полуосей 7 закреплены полуосевые конические шестерни 15. Концы полуосей с полуосевыми шестернями входят в коробку дифференциала 14. К коробке дифференциала прикреплена ведомая шестерня 5, с которой сцепле­ на ведущая шестерня главной передачи. В коробке установлены шестерни­ сателлиты 13, которые сцеплены одновременно с обеими полуосевыми шес­ тернями 15 и могут вращаться в цапфах.

При прямолинейном движении автомобиля по ровной дороге полуоси 7 с шестернями 15 будут вращаться с одинаковой скоростью, равной скорости коробки 3, а шестерни­сателлиты 13 остаются неподвижными относительно своей оси.

Рис. 2.2. Силовые передачи грузовых автомобилей:

а) − с колесной формулой 4Х2; 6) − с колесной формулой 6Х4; в) − с колесной формулой 6Х6; г) − схема дифференциала; 1– двигатель; 2–маховик; 3– коробка передач; 4– кардан­ ный вал; 5– коническая шестерня; 6, 10, 12 − дифференциалы; 7– полуоси; 8– колесо; 9– управляемые колеса; 11– раздаточная коробка; 13–сателлиты; 14– корпус дифференциа ­

ла; 15– полуосевые шестерни

95

При движении автомобиля по криволинейному участку дороги сателлиты 13 перекатываются по замедлившей свое вращение полуосевой шестерне 15, а вторая полуосевая шестерня за счет вращения сателлитов13 начнет вращаться быстрее. В результате колесо, катящееся по внутренней кривой, будет вра­ щаться медленнее, чем колесо, катящееся по внешней кривой и проходящее за одно и то же время больший путь.

Автомобиль оборудуется тормозной системой для снижения скорости и ос­ тановки машины и рулевой системой для изменения направления движения посредством поворота передних управляемых колес 9. На тяжелых машинах рулевой механизм оснащается гидроусилителем, снижающим усилие на ру­ левом колесе.

На рис. 2.2, б показана схема силовой передачи трехосного автомобиля с двумя ведущими мостами 10, (колесная формула 6 Х 4), а на рис. 2.2, б и в тремя ведущими мостами (колесная формула 6 Х 6), передний мост 12 являет­ ся одновременно управляемым и ведущим. Движение к ведущим мостам пе­ редается посредством карданных валов от коробки перемены передач через раздаточную коробку 11, позволяющую включать передний ведущий мост при преодолении трудных участков пути во время движения по проселочным дорогам и бездорожью.

Силы и моменты, действующие на автомобиль при прямолинейном дви-

жении. При движении на автомобиль действуют различные силы и момен­ ты. Для анализа процесса движения, действующие силы делят на движущие, направление которых совпадает с направлением вектора скорости центра масс, и силы сопротивления, направление которых противоположно этому вектору. При таком делении допускаются некоторые условности, поскольку в различных случаях движения одни и те же силы могут быть направлены либо по движению, либо против. Условно к движущим силам относят полную ок­ ружную силу или полную тяговую силу. Все остальные силы, действующие на автомобиль, считают силами сопротивления. Силы сопротивления движе­ нию разделяют соответственно причинам, вызывающим их возникновение. Сила сопротивления воздуха возникает в результате трения об поверхности автомобиля, разряжения за автомобилем и вихреобразования. При движении автомобиля воздух, расположенный впереди, сжимается и выталкивается ту­ да, где давление меньше, т. е. вверх, вниз и в стороны, тем самым образуется относительное разряжение. Эта область с пониженным давлением затем за­ полняется воздухом, и образуются вихри.

Чем больше площадь поперечного сечения, тем больше количества возду­ ха вынуждено огибать автомобиль. Наибольшая площадь поперечного сече­ ния автомобиля называется площадью миделя. Составляющая силы сопро­ тивления воздуха, зависящая от этой площади и называют аэродинамическим сопротивлением, оно является основной частью всей силы сопротивления воздуха. Составляющая полной аэродинамической силы направлена по про­

96

дольной оси автомобиля. Элементарные аэродинамические силы, действую­ щие в каждой точке поверхности автомобиля, различны по величине и на­ правлению. Равнодействующую от элементарных аэродинамических сил на­ зывают полной аэродинамической силой и выражают в виде

Fw cwAq ,

где cw безразмерный коэффициент полной аэродинамической силы;

A площадь миделя, м2 (принимается лобовая площадь, равная площади проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную его продольной оси);

q 0,5 вvw2 скоростной напор, равный кинетической энергии кубическо­ го метра воздуха, движущегося со скоростью движения автомобиля относи­

Силы Fw и Mw можно разложить по осям системы координат, связанной с автомобилем так, что ее начало (т. О) совпадало с центром масс, а оси ОХ и ОУ направлены по продольной и поперечной осям автомобиля. Тогда проек­ ция силы на оси ОХ - сила сопротивления воздуха (сила лобового сопротив­ ления) выражена

Fwx 0,5cx в А Vw2 . (2.1)

Для проекции Fwy (боковая аэродинамическая сила) вместо cx используют коэффициент (cy ), для проекции Fwz (подъемная сила) (cz). Сопротивле­

ние воздуха принято рассматривать в виде сосредоточенной силы, прило­ женной в точке, называемой центром парусности автомобиля. Расстояние от опорной поверхности до центра парусности называется высотой центра па-

русности hв .

Проекцию Mw 0,5mw вAВVw2 называют моментом крена. Под действи­ ем боковой аэродинамической силы Fwy и поворачивающего момента Mw

происходит изменение курсового угла и боковое смещение центра масс авто­ мобиля, а под действием суммы моментов Fwy hв Mwx и Fwx hв Mwy про­

исходит перераспределение нормальных реакций. Удобно считать силу Fwy

приложенной не в центре масс, а в некоторой точке сwy , расположенной от­ носительно центра масс на таком расстоянии lм , что точку cwy называют

Рис.2.3. Схема аэродинамических сил

Можно найти такую точку сб , расположенную на расстоянии lб от точки с приложения, в которой боковые силы при нейтральном положении колес не приводят к повороту автомобиля, так как угол увода передних колес равен

Сила Fw может быть представлена несколькими составляющими: сопро­ тивление формы; обусловлено разностью между повышенным фронтальным давлением, возникающим перед автомобилем, и пониженным давлением, вы­ званным завихрением позади него. Решающее значение при этом имеет фор­ ма таких частей, как капот, крылья, ветровое стекло, крыша, боковые стенки; внутреннее сопротивление, создаваемое потоками воздуха, проходящими внутри автомобиля для вентиляции или обогрева кузова; сопротивление по­ верхностного трения, вызываемое силами вязкости пограничного слоя воздуха, движущегося у поверхности

автомобиля, и зависящее от размера и шероховатости этой поверхности; ин­ дуктируемое сопротивление, вызываемое взаимодействием сил, действующих в направлении продольной оси автомобиля (подъемной) и перпендикулярно

98

этой оси (боковой); дополнительное сопротивление, создаваемое различны­ ми выступающими частями: фарами, указателями поворота, номерными зна­ ками.

Обычно коэффициенты лобового сопротивления определяют опытным пу­ тем продувки автомобиля в аэродинамической трубе, рис. 2.4.

Установленный в трубе вентилятор создает поток воздуха, обтекающий модель, помещенную в рабочую часть трубы. Специальным весовым уст­

ную ширину. Должны быть обеспечены плавные переходы от крыши к задней панели и багажнику. Допускается грань в месте перехода крыши к заднему скату. Пол кузова цельный с выступающими механизмами. Уменьшение со­ противления воздуха для грузовых автомобилей может достигаться за счет скругления углов в местах перехода от лобовой плоскости к верхней и боко­ вым поверхностям, установки лобового стекла с наклоном, увеличения вы­ пуклости передней панели, а также путем применения специальных аэроди­ намических приспособлений, улучшающих обтекание автомобиля или авто­ поезда воздухом. В идеальном виде дополнительное аэродинамическое при­ способление для седельного тягача можно представить в виде обтекателя, ус­ тановленного на крыше тягача, и гибкой оболочки, закрывающей зазор между тягачом и полуприцепом. Поскольку основное воздушное сопротивление движению автопоезда создается за счет воздуха (рис.2.5), обтекающего каби­ ну и набегающего на переднюю стенку полуприцепа, установка отклонителя на крыше кабины, направляющего основной поток воздуха выше передней стены полуприцепа, может дать значительный эффект.

На рис.2.5, б схематично показаны различные аэродинамические приспо­ собления, применяемые на грузовых автомобилях, а также процентное уменьшение коэффициента сопротивления, полученное по результатам испы­ таний в аэродинамической трубе. В расчетах тягово­скоростных свойств автомобилей обычно используют не коэффициент обтекаемости, который оп­ ределяется в основном формой автомобиля, а коэффициент сопротивления воздуха, которым учитываются и другие сопротивления, не зависящие непо­ средственно от формы автомобиля.

формы кузова и углов натекания. Коэффициент kв эквивалентен силе сопро­

тивления воздуха, действующей на 1 м2 площади автомобиля при относи­ тельной скорости 1 м/c.

б)

а)

Рис.2. 5. Характер обтекания воздухом (а) и приспособления для уменьшения аэродинамического сопротивления грузовых автомобилей (б)

При движении автомобиля в неподвижной воздушной среде относительная скорость воздуха vw v, аэродинамическая сила Fw kвАv2. Произведе­ ние kвА называют фактором обтекаемости. Приближенно площадь лобо­ вого сопротивления грузовых автомобилей A knBH , где kn поправоч­ ный коэффициент (1,05…1,1) для грузовых и (1,1 …1,2) для легковых авто­ мобилей.

При наличии ветра относительная скорость vw равна геометрической сум­ ме скоростей va автомобиля и vв ветра, т. е.

vw va2 vв2 2vavв cos ,

где угол между направлением ветра и продольной осью автомобиля.

100

Коэффициент kв в этом случае должен соответствовать углу натекания

Сила сопротивления подъему автомобиля (Fh) — составляющая силы тя­ жести автомобиля, направленная параллельно опорной поверхности и прило­ женная в центре масс автомобиля на высоте hg . Если углы подъемов считать

положительными, а спусков — отрицательными, сила сопротивления подъе­ му определяется выражением:

Fh Ga sin ,

где угол подъема.

Крутизну профиля характеризуют уклоном — тангенсом угла наклона плоскости дороги к горизонтальной плоскости. В дорожной документации уклон обычно выражают в тысячных (промилле, %). При расчетах движения автомобиля уклон обозначают буквой I и задают в тысячных, сотых (про­ центах) или непосредственно значением тангенса угла уклона. Например, ук­ лон одной и той же крутизны может быть обозначен: f =30 %; I =3 % или

I = 0,03. Последнее обозначение является предпочтительным. Поскольку обычно уклоны дороги невелики, принимают sin i; Fh iGa. В ря­ де случаев при расчетах тягово­скоростных свойств автомобиля целе­

где F коэффициент сопротивления дороги.

Обычно значение сопротивления дороги, при котором должны быть обес­ печены требуемые тягово­скоростные свойства автомобилей, определяют в техническом задании на их проектирование.

Сила сопротивления разгону автомобиля Fj это сила его инерции

dv Fj ma dt .

Схема сил, действующих на автомобиль­тягач, изображена на рис. 2.6.