Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

81

где GT − расход топлива в кг/ч; PT − тяговая мощность землеройной машины

вкВт.

9.Строим кривую изменения тягового КПД в функции силы тяги FТ , поль­

зуясь зависимостью

проектируя точку 3 на ось абсцисс. Найденное значение Pe на тяговой харак­ теристике обозначено точкой 11.

Построив таким образом кривую мощности двигателя в функции силы тя­ ги, по соотношению ординат PT и Pe строим кривую зависимости тягового КПД землеройной машины в функции силы тяги. Значение ηТ, обозначенное на тяговой характеристике точкой 12, соответствует значению силы тяги, оп­ ределяемому отрезком 01.

Аналогичным образом строим тяговую характеристику и на других пере­ дачах. На рис. 1.43 показано построение тяговой характеристики землеройной машины.

Рис.1. 43. Тяговая характеристика землеройной машины

Если в состав трансмиссии землеройной машины входит гидродинами­ ческая передача, то предварительно необходимо построить выходную харак­ теристику «системы двигатель – гидродинамическая передача». Принимая выходную характеристику за исходную и сопоставляя ее с характеристикой движителя, можно построить тяговую характеристику землеройной машины. При этом методика построения остается прежней. Для получения высоких тя­ говых качеств землеройных машин с гидромеханической трансмиссией целе­ сообразно, чтобы рациональный режим работы колесного движителя совпа­ дал с рациональным режимом системы «двигатель – гидродинамический трансформатор» на первой рабочей передаче.

82

Следовательно, для осуществления такого согласования необходимо, что­ бы работа колесного движителя на режиме номинальной силы тяги Fн (соот­ ветствующей буксованию 20%), мощность PТ на валу турбинного колеса и КПД ηгт гидродинамического трансформатора имели достаточно высокие значения.

Поскольку значения РTmax и ηгт мах, как правило, не совпадают, то выбор рациональной степени загрузки по величине крутящего момента М т на валу турбинного колеса нужно определять, исходя из анализа параметров характе­ ристики совместной работы. При этом необходимо иметь в виду следующее. Если при работе колесного движителя автогрейдера на режиме М н загрузка гидродинамического трансформатора составит FT max, то тяговые качества ав­ тогрейдера окажутся самыми высокими. Если же значение F н будет соответ­ ствовать ηгт мах , то режим работы землеройной машины окажется рациональ­ ным с точки зрения уменьшения потерь мощности в гидродинамическом трансформаторе.

Таким образом, когда при F Tmax значение ηгт близко к максимальному, то целесообразно согласовывать номинальный режим работы колесного движи­ теля с режимом F T мах.

В том случае, когда при указанном режиме работы гидродинамического трансформатора ηгт имеет недостаточно высокое значение, следует согласо­ вание режимов работы колесного движителя назначать по некоторым проме­ жуточным значениям F T и ηгт, проведя всесторонний анализ параметров ха­ рактеристики совместной работы.

При выполнении тягового расчета землеройной машины необходимо в пер­ вую очередь установить оптимальные соотношения между мощностью двига­ теля, параметрами гидродинамического трансформатора, передаточным чис­ лом механической части гидромеханической трансмиссии и весом машины. Часть из указанных параметров должна быть задана, а недостающие опреде­ лены с помощью тягового расчета. Предположим, что известны регуляторная характеристика двигателя, безразмерная характеристика гидродинамического трансформатора, а также полный вес G и сцепной вес Gсц землеройной маши­ ны, определяем передаточное число гидромеханической трансмиссии, обес­ печивающее эффективную работу землеройной машины на первой рабочей передаче u MT в такой последовательности.

1.Во втором квадранте (рис.1.44) размещаем выходную характеристику системы двигатель – гидродинамический трансформатор в функции крутяще­ го момента вала турбинного колеса МТ.

2.Назначаем расчетные грунтовые условия, типичные для проектируемой землеройной машины.

3.В первом квадранте строим кривую коэффициента буксования колесного движителя автогрейдера по формуле (1.62 ), полагая Fсц = R.

83

4. Рассчитываем по формуле силу сопротивления качению колес землерой­ ной машины и наносим на график.

5. Определяем рациональный режим работы гидродинамического транс­ форматора по максимальным значениям РTmax, гтmах или промежуточному значению в зависимости от вида землеройной машины и особенностей вы­ ходной характеристики. Предположим, что в данном случае за рациональный режим принят режим гтшах.

Устанавливаем расчетное значение крутящего момента вала турбинного колеса, соответствующего назначенному рациональному режиму работы гид­ родинамического трансформатора Тòð .

Рис.1. 44.График к расчету передаточного числамеханической части трансмиссии первой рабочей передачи землеройной машины

6.Откладываем δ = 20% и находим значение номинальной силы тяги Fн землеройной машины.

7.Восстанавливая перпендикуляр из точки а1 и проводя горизонталь через точку а2, получим точку а3. Если через начало координат окружной силы ко­ лесного движителя — точку О1 и точку а3 — провести прямую, то она будет представлять собой луч Fк, устанавливающий зависимость между окружной силой и крутящим моментом M т.

8.Определяем передаточное число на первой рабочей передаче

где rс – силовой радиус колесного движителя; ηм – механический КПД меха­ нической части гидромеханической трансмиссии.

84

9. Определяем скорость движения. Величина теоретической скорости дви­ жения землеройной машины на первой рабочей передаче υT1 при работе гид­ родинамического трансформатора на режиме M тр будет

где птх – частота вращения вала турбинного колеса гидродинамического трансформатора при работе землеройной машины на холостом ходу.

10. Проверяем устойчивость работы землеройной машины исходя из усло­ вия, что при тяговой перегрузке остановка происходит вследствие полного буксования ведущих колес, а не вследствие остановки турбинного колеса,

т. е. Fм > Fφ > φGСЦ.

Для этой цели через точку а4 проводим горизонталь, а через полученную точку а5 — вертикаль и находим значение Fм. При расчете iM1 по приведенной выше методике это условие, как правило, соблюдается. Если получится, что Fм ≤ Fφ, то необходимо изменить значение iM1, основываясь на условиях ус­ тойчивой работы землеройной машины.

Основой для оценки динамических и экономических качеств землеройно­ транспортных машин служат тяговые характеристики (рис. 1.42 и 1.43).

Располагая тяговой характеристикой, можно для каждой рабочей переда­ чи установить следующие оценочные показатели (значения силы тяги) дина­ мических и экономических качеств машин при различных характерных зна­ чениях силы тяги: тяговую мощность PT, коэффициент буксования δ, дейст­ вительную скорость движения υд, тяговый КПД ηт , часовой GT и удельный gT расход топлива, запас силы тяги.

Последний показатель находят как разность между максимальной силой тяги, определяемой условиями сцепления колесного движителя с поверхно­ стью качения Fφ или максимальным крутящим моментом двигателя Тм, и си­ лой тяги при данном режиме работы машины F.

Между некоторыми из перечисленных характерных значений сил тяги земле, землеройно­транспортных машин при работе на свежесрезанном связ­ ном грунте с влажностью около 0,55 от верхнего предела пластичности суще­ ствуют следующие соотношения: Fη = (0,50…0,55)F φ;

FpТ = (0,70…0,73) F ; Fд мах = (0,73÷0,75) F ; FpТ ≈ FН .

Как известно, различают скорости движения землеройно­транспортных машин теоретические и действительные. Первые не учитывают потери скоро­ сти движения в результате буксования колесного движителя и поэтому при прочих равных условиях зависят только от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

85

Перечислим характерные значения скоростей движения землеройно­ транспортных машин: скорость движения на холостом ходу υx, номинальная скорость движения υH (действительная скорость движения при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя и δ = 20%), расчетная скорость движения (теоретическая скорость, соответствующая номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя).

Целесообразно основные оценочные показатели тяговых и топливно­ экономических качеств, перечисленных выше, определять так (рис.1.45):

Рис.1.45. Графический расчет производительности и топливной экономичности землеройно­транспортной машины непрерывного резания грунта на примере

автогрейдера

на режиме максимальной тяговой мощности Ðт

pÒ a1a2 , äPT a1a5 , TPT a1a7 ,GTPT a1a3 ,gTPT a1a4 ;

на режиме максимального тягового КПД Рη

b1b2 , д b1b6 ,GT b1b3 ,gT b1b4 ;

на режиме максимальной мощности двигателя, Ð ðå

ðe c1c2 , äNe c1c4 , Tðe c1c7 ,GTðe c1c3 ,gTðe c1c5 .

Спомощью тяговой характеристики землеройно­транспортных машин непре­

рывного резания грунта можно определять их производительность по объему вырезанного или разрыхленного грунта и топливную экономичность.

1. Во второй четверти системы координат (рис.1.45) наносим регуляторную характеристику двигателя в функции крутящего момента.

86

2. В первой четверти системы координат строим тяговую характеристику землеройно­транспортной машины.

3. В четвертой четверти системы координат строим номограмму для опре­ деления проекции площади сечения вырезаемой стружки грунта на плос­ кость, перпендикулярную к направлению движения SГ в координатах SГ и FТ . Для этого вниз по оси ординат наносим шкалу значений SГ , осью абсцисс служит уже ранее нанесенная шкала значений FÒ. По уравнению находим

и производим построение.

Поскольку рассматриваемая зависимость выражается прямой, проходящей через начало координат силы тяги – точку O1, значения SГ достаточно опреде­ лить при любой величине Ti нанеся найденное значение на график, соединив полученную точку с началом координат.

При построении лучевой диаграммы необходимо задаваться различными значениями k, чтобы охватить возможные грунтовые условия, встречающиеся при работе землеройно­транспортной машины.

4. В третьей четверти системы координат строим номограмму для опреде­ ления теоретической часовой производительности по объему вырезанного грунта Пт при различных скоростях движения υд. Для построения этой номо­ граммы воспользуемся координатами ПТ и ST. Шкалу значений ПТ наносим на

Задаваясь различными значениями υд, строим номограмму аналогично предыдущей. Она будет представлять собой также пучок прямых, проходя­ щих через начало координат.

5. В этой же четверти системы координат вниз по оси ординат наносим шкалу удельного расхода топлива gT и по уравнению

qT GT , Ï T

в координатах ПТ и gT строим кривые теоретического расхода топлива на 1 м3 вырезаемого грунта в зависимости от часового расхода топлива GT. На графи­ ке эти кривые построены при трех значениях часового расхода топлива 15; 17,5 и 20 кг/ч.

6. Находим эксплуатационную производительность

ПЭ=k1 k2 k3 k4ПТ = kЭПТ,

где kЭ = k1 k2 k3 k4,– эксплуатационный коэффициент, учитывающий: k1 – ко­ эффициент, учитывающий потери грунта при его перемещении из забоя на рабочий орган; k2 – коэффициент, учитывающий необходимость снижения ис­

87

пользуемой мощности двигателя при его непрерывной и длительной работе (k2 = 0,9÷0,95); k3 – коэффициент использования землеройно­транспортной машины по времени; k4 – коэффициент, учитывающий влияние системы управления на производительность землеройно­транспортной машины.

Задаемся определенным значением ПТ, откладываем его по шкале (напри­ мер, 300 м3/ч) и назначаем наименьшее возможное значение коэффициента kЭ (например, 0,75). Располагая этими исходными данными, пользуясь приве­ денной выше формулой, находим, что ПЭ = 0,75∙300= 225 м3/ч. Это значение откладываем на той же шкале производительности и через полученную точку а1 проводим прямую, перпендикулярную к оси абсцисс. На этой прямой от­ кладываем отрезок а1а2 произвольной длины, а затем точку а2 соединяем на­ клонной прямой с точкой а3. Отрезок ага3 разбиваем на равномерную шкалу, крайние значения которой будут kЭ = 1,0; kЭ= 0,75. Затем соединяем точки шкалы kЭ с началом координат прямыми лучами. Наконец, через деление шкалы ПТ проводим прямые, параллельные отрезку а2а3.

Построив такой график для любой землеройно­транспортной машины не­ прерывного резания грунта (автогрейдера, скрепера, бульдозера, грейдер­ элеватора, струга, рыхлителя, канавокопателя и др.), можно решить целый ряд задач, связанных с оценкой их эксплуатационно­технических показателей и выбором рациональных режимов работы.

Используя построенный график, рассмотрим возможные методы решения наиболее характерных задач.

Предположим, что требуется определить эксплуатационную производи­ тельность автогрейдера ДЗ­144А при работе на первой передаче с использо­ ванием режима максимальной тяговой мощности, если сопротивление грунта К = 500 МПа, a kЭ = 0,75. Обозначив точкой а5 максимальное значение тяго­ вой мощности автогрейдера на первой передаче РT , опустим из нее перпен­ дикуляр на ось абсцисс и найдем силу тяги колесного движителя, соответст­ вующую заданному режиму работы (точка а8). Определив по графику FТ = 5000 H, найдем часть силы тяги Fр, которая расходуется непосредственно на резание грунта, пользуясь известной зависимостью

FР FТ f R WПР WВ WВО , (1.73)

где ∑R − суммарная нормальная реакция грунта на все колеса автогрейдера; Wnp − сопротивление перемещению призмы волочения грунта; We − сопро­ тивление трения при движении грунта вверх по отвалу; We0 − сопротивление трению при движении грунта вдоль по отвалу. Выполнив необходимые рас­ четы, определим, что Fр = 5000 − 2500 = 2500 Н.

Значение Fр откладываем по оси абсцисс вправо от начала координат (точка а9). По величине FP можно определить проекцию площади сечения вырезаемой стружки грунта на плоскость, перпендикулярную к направлению движения автогрейдера SГ. Для этого через точку а9 проводим вертикаль до

88

пересечения с лучом К = 500 МПа. Через полученную точку а10 проводим го­ ризонталь, с тем чтобы она пересекала шкалу SГ (точка а11) и луч υд = 2,5 км/ч (точка а14), так как при заданном режиме работы автогрейдера действи­ тельная скорость движения составляет примерно 2,5 км/ч, в чем можно убе­ диться, если через точку а6 провести горизонталь до пересечения со шкалой υд (точка а7). Положение точки а11 на шкале SГ определит сечение стружки грунта.

Проведя вертикаль через точку а14 на шкале ПТ (точка а15) найдем теоре­ тическую производительность автогрейдера. Она составит 1250 м3/ч.

Для определения эксплуатационной производительности при заданном значении ka = 0,75 проводим наклонную линию аи а17 до пересечения с лучом, соответствующим заданному значению кэ = 0,75. Проведя вертикаль через точку а17 до пересечения со шкалой Пт (точка а18), найдем искомую величину эксплуатационной производительности автогрейдера, равную 925 м3/ч.

Для определения удельного расхода топлива gT предварительно нужно ус­ тановить часовой расход топлива двигателем. Это можно сделать, если через точку а4 провести горизонталь до пересечения с кривой GТ регуляторной ха­ рактеристики (точка а19), из этой точки восстановить перпендикуляр к шкале GT и затем по ней найти часовой расход топлива, который будет равен 17,5 кг/ч. Продолжив вертикаль а14 а15 до пересечения с кривой GT = 17,5 кг/ч и проведя через точку пересечения а13 горизонталь до шкалы gT (точка а12), найдем удельный расход топлива. Он составит 13,0 г на 1 м3 грунта, вырезан­ ного отвалом автогрейдера.

Аналогичным способом можно найти SГ, ПЭ, gT для различных режимов работы землеройных машин на разных передачах и дать обоснование об оп­ тимальном режиме.

При оценке технического уровня и качества строительных машин кроме перечисленных выше используют еще и другие показатели, например показа­ тель экономической эффективности использования машин. Оценка экономи­ ческой эффективности производится по обобщенному показателю суммарных приведенных затрат.

где С − текущие затраты – себестоимость годового объема продукции маши­ ны; К – единовременные капитальные вложения на создание машины; Ен нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, устанав­ ливаемый соответствующими методиками.

Для сравнения вариантов машин, используемых на одних и тех же работах, обычно пользуются не суммарной годовой величиной приведенных затрат, а их удельной величиной, принимаемой как отношение приведенных затрат к годовой эксплуатационной производительности. Эффективная работа маши­ ны будет соответствовать минимуму приведенных затрат. Для обеспечения

89

этого положения необходимо добиваться, чтобы производительность машины была максимальной, а затраты времени на перемещение машины между объ­ ектами, расход энергии, эксплуатационные материалы, а также на ремонты, техническое обслуживание и управление – минимальными.

Контрольные вопросы по первой главе. 1. Требования, предъявляемые к строитель­ ным и дорожным машинам. 2. По какой схеме работают бульдозеры с отвалом шириной 12,2 м и высотой 1,8 м фирмы США «Катерпиллер»? 3. По каким показателям оценивают уровень использования машин в условиях эксплуатации. 4. Какие должны быть характери­ стики микроклимата в кабине машиниста ? 5. Как определить коэффициент приспособ­ ляемости машины к окружающей среде ? 6. Для какой цели используют на машинах ката­ лизаторы ? 7. Какие сечения каналов у катализатора ? 8. Что понимаем под структурой парка машин ? 9.Что применяется в качестве силового оборудования строительных и до­ рожных машин. 10. Чем отличается регуляторная характеристика двигателя от скорост­ ной? 11. Чем отличается акисально­поршневой насос от радиально­поршневого ? 12. Какие разновидности компрессоры существуют. 13. Из каких элементов состоят трансмиссии ?. 14. Как определяют работоспособность ременных передач . 15. Какие виды зубчатых колес используют в трансмиссии машины ? 16. Что такое планетарная передача и каковы ее пре­ имущества ? 17. Чем отличается передаточное число от передаточного отношения ? 18. Чем отличается гидромуфта от гидротрансформатора ? 19. Как оценивается степень про­ зрачности гидротрансформатора ? 20. Какие виды гидротрансформаторов используют в машинах.? 21. Из каких элементов состоит ходовое оборудование строительных машин ? 22. Какие шины используются для улучшение проходимости машины ? 23. Приведите ос­ новы тягового расчета машины? 24. Назовите основные технико­экономические показате­ ли строительных машин ?

2. ТРАНСПОРТНЫЕ, ТРАНСПОРТИРУЮЩИЕ И ПОГРУЗОЧНОРАЗГРУЗОЧНЫЕ МАШИНЫ

2.1. Общая характеристика транспортирования строительных грузов

В строительстве для перевозки грузов используются наземный, водный и воздушный виды транспорта.[2, 3]. Свыше 90 % перевозок на объекты строи­ тельства осуществляется наземным транспортом: автомобильным, железно­ дорожным и трубопроводным. Выбор типа транспортных средств определя­ ется характером и количеством перемещаемых грузов, дальностью перевозок и временем, отведенным на их доставку.

Автомобильный транспорт. Это наиболее мобильный и массовый вид транспорта. С его помощью строительные грузы доставляются без перегрузок непосредственно на строительные объекты. На долю автомобильного транс­ порта, тракторов и колесных тягачей приходится более 82 % перевозок грун­ та, строительных материалов, длинномерных грузов, строительных конструк­

90

ций, технологического оборудования и строительных машин. Расходы только на автомобильный транспорт составляют 12...15 % стоимости строительно­ монтажных работ, достигая в отдельных случаях и значительно больших ве­ личин.

Различают автомобильный транспорт общего назначения и специализированный. К транспортным средствам общего назначения относятся грузовые автомобили, прицепы и полуприцепы с бортовыми не опрокидывающимися открытыми платформами, а также седельные тягачи, используемые для пере­ возки всех видов грузов, кроме жидких, без тары. Автомобиль или седельный тягач в сцепе с прицепом или полуприцепом называют автопоездом. Специа­ лизированными транспортными средствами являются грузовые автомобили, прицепы и полуприцепы, предназначенные для перевозки определенного ви­ да груза (труб, ферм, панелей, массовых штучных грузов в контейнерах и т. п.). Использование специализированных транспортных средств обеспечивает высокую эффективность перевозок, сохранение качества перевозимых грузов, внедрение передовых методов организации и управления транспортным про­ цессом.

Железнодорожный транспорт. Железнодорожным транспортом осущест­ вляют массовые перевозки строительных грузов и оборудования при сосредо­ точенном строительстве крупных объектов с расстоянием перевозки не менее 200 км. Им выполняют внешние, внутрикарьерные, технологические перевоз­ ки. Транспортирование грузов по железным дорогам осуществляется в ваго­ нах общего назначения (полувагонах, платформах, крытых) и специального назначения (цистернах, вагонах­самосвалах). Выбор типа вагонов ведется с учетом различных требований: сохранности перевозимого груза, механизации погрузки и выгрузки, необходимостью взвешивания и т. д. Грузоподъемность подвижного состава определяется допустимой нагрузкой оси вагонов на рельсы.

Водный транспорт. Им строительные грузы перемещаются на речных и морских судах. Речные суда используются на внутренних водных путях меж­ ду речными и морскими портами при сосредоточенном строительстве круп­ ных объектов в прибрежных районах и имеющих специальные портовые со­ оружения, где грузы перегружаются на автомобильный и железнодорожный транспорт. Грузовые речные суда в зависимости от наличия силовой установ­ ки бывают самоходные и несамоходные.

Внутренний водный транспорт, особенно при использовании судов повы­ шенной грузоподъемности, может обеспечить высокую провозную способ­ ность при сравнительно меньших, чем железнодорожный и автомобильный, капитальных затратах на один километр водного пути и тем самым сущест­ венно разгрузить железные дороги, особенно при их сезонной загрузке.

Воздушный транспорт (грузовые самолеты, вертолеты и дирижабли).

Его применяют при строительстве в труднодоступных районах страны (За­