Показатели функциональности машин

Функциональность машин оценивается рядом показателей (см.рис. 1.2).

Энергоэффективность рабочего процесса характеризуется показателями тягово-скоростных свойств и топливной экономичности.

Тягово-скоростные свойства представляют собой совокупность параметров, определяемых результатами совместной работы двигателя, трансмиссии и движителя, и характеризуют энергетические возможности для осуществления рабочего процесса самоходной машины.

Усилие, реализуемое на движителе самоходной дорожной машины при равномерном движении:

(1.7)

где М_дв.с — свободный крутящий момент на коленчатом валу двигателя (эффективный крутящий момент за вычетом потерь на работу вспомогательных механизмов — системы подачи топлива, охлаждающей системы, электрогенератора и т.д.), Н-м; i₀ — передаточное отношение трансмиссии; η₀ — общий КПД трансмиссии и движителя; r_д — радиус ведущего колеса или средний радиус ведущей звездочки, м.

В процессе движения самоходной машины на нее действуют сопротивления, которые характеризуются коэффициентом сопротивления перемещению f_k и уклоном местности i значение силы сопротивления передвижению определяется выражением

(1.8)

где G_м — вес машины, Н.

Тяговое усилие, реализуемое на рабочем органе машины:

(1.9)

Скорость движения машины или ее рабочего органа является важным показателем тягово-скоростных свойств. Теоретическая скорость движения самоходной дорожной машины (скорость движения без нагрузки на рабочем органе)

(1.10)

где п_е — частота вращения коленчатого вала двигателя, с^-1.

Реальная скорость движения самоходной землеройно-транспортной машины в рабочем процессе отличается от теоретической, поскольку дополнительное сопротивление на рабочем органе вызывает проскальзывание колес по опорной поверхности или деформацию материала, на который опирается движитель. Разница между теоретической (υ₀) и реальной (рабочей υ_p) скоростью определяется коэффициентом буксования

(1.11)

Отсюда рабочая скорость

(1.12)

Значение коэффициента буксования для колесных дорожных машин можно определить по эмпирической формуле Н.А. Ульянова

(1.13)

где А, В, п — коэффициенты, зависящие от состояния и вида опорной поверхности (грунта), давления воздуха в шинах и рисунка протектора; ψ = T/G_м — относительная сила тяги.

Для гусеничных дорожных машин коэффициент буксования можно определить по формуле Н.А. Забавникова

(1.14)

где μ — коэффициент трения скольжения опорной ветви гусеницы по грунту; К_деф — коэффициент деформации, зависящий от физико-механических свойств грунта; F_гз — площадь грунтозацепа, м2; п_г — число звеньев, опирающихся на грунт; L_оп — длина опорной поверхности, м.

Таким образом, тягово-скоростные свойства самоходных машин могут быть охарактеризованы тремя единичными показателями: тяговым усилием на рабочем органе (зависимость (1.9)), рабочей скоростью (зависимость (1.12)) и коэффициентом буксования (зависимости (1.13) и (1.14)).

В качестве комплексного показателя тягово-скоростных свойств используется тяговая мощность, развиваемая на рабочем органе:

(1.15)

Показатели тягово-скоростных свойств можно определить проведением тяговых испытаний. Результаты расчетов и испытаний изображают в виде графика, получившего название тягово-скоростной характеристики (рис. 1.5).

На рис. 1.5, а приведена тягово-скоростная характеристика ав-тогрейдера, полученная в соответствии с ГОСТ 11030—74, отмененном в 1988 г. На графике, наряду со скоростью движения (υ), буксования ведущих колес (δ) и тяговой мощности на отвале (N), наносились показатели топливной экономичности: часовой (G) и удельный (g) расходы топлива. Начиная с 1988 г. тягово-скоростные характеристики стали определять по ГОСТ 27247—87 — аналогу международного стандарта ИСО 7464—83. При этом в изображении тягово-скоростной характеристики произошли существенные изменения. С изображения на графике исключили показатели топливной экономичности (рис. 1.5, б) и буксования колес, а скорость движения разместили на оси абсцисс и сделали аргументом, а не функцией. Буксование колес при испытаниях ограничили 15 %. Несмотря на то, что тяговая мощность согласно стандарту должна определяться и наноситься на график тягово-скоростной характеристики, отечественные изготовители наносят на график только зависимость тягового усилия на крюке от скорости движения без учета буксования (рис. 1.5, в, г). В этих условиях изготовители вместо номинального тягового усилия на рабочем органе, которое определяется при максимальной тяговой мощности и для промышленных тракторов является главным параметром, перешли на указание в технической характеристике максимального тягового усилия. Показатель максимального тягового усилия не несет функциональной нагрузки и не отражает эффективности работы землеройно-транспортной машины. В реальных условиях он характеризует упор рабочего органа в непреодолимое препятствие (у машин с механической трансмиссией теряется рабочая скорость и глохнет двигатель или возникает 100 % -ное буксование движителя (рис. 1.5, в), а у машин с гидромеханической трансмиссией скорость падает до нуля и входное звено гидротрансформатора проскальзывает относительно выходного звена, что вызывает так называемый стоповый режим и сопровождается существенным нарушением температурного режима рабочей жидкости).

Руководствуясь этими соображениями, в целях научных исследований используют изображения показателей тягово-скоростных свойств по ГОСТ 11030—74. Одновременно проводят работы по замене трудоемких и дорогостоящих тяговых испытаний на имитационное компьютерное моделирование взаимодействующих систем двигатель — трансмиссия — движитель — рабочее оборудование — грунт.

Рис. 1.5. Примеры тягово-скоростных характеристик некоторых строительных и дорожных машин: а - автофейдер по ГОСТ 11030-74; б — ЗТМ по ГОСТ 27247-87 (ИСО 7464-83); 1 — предельное буксование 15 %; 2 — ступенчатая трансмиссия; 3 — бесступенчатая трансмиссия; в — бульдозер Б170М1.01ЕР; г — бульдозер ЧЕТРА-11.

При помощи имитационного моделирования наряду с основными параметрами работы машины на разных передачах и при различных нагрузках можно определить тяговый коэффициент полезного действия машины, запас тягового усилия, характеризующий способность машины преодолевать временное увеличение сопротивления без перехода на пониженную передачу, рациональные скоростные режимы работы машины исходя из максимальной тяговой мощности.

Современные отечественные землеройно-транспортные машины оснащаются либо многоступенчатыми механическими трансмиссиями, обеспечивающими плавное переключение скоростных режимов (см. рис. 1.5, в),либо гидромеханической передачей, состоящей из гидротрансформатора и планетарной коробкой пересдач, переключаемой под нагрузкой, тогда усилие изменяется бесступенчато.

Топливная экономичностьхарактеризует способность машины выполнять рабочий процесс с минимальным расходом топлива в единицу времени или на единицу вырабатываемой продукции. В качестве показателей топливной экономичности применяют часовой расход топлива, а также удельные расходы топлива на единицу эффективной мощности двигателя или объема выработанной продукции.

Часовой расход топлива G_тможно определить графоаналитическим или экспериментальным методами. В первом случае он находится по скоростной характеристике двигателя при соответствующей частоте вращения коленчатого вала n_c, которая определяется аналитически в зависимости от υ_p и υ₀. Во втором случае часовой расход топлива, кг/ч, можно определить подключением к топливной системе специальных приборов-расходомеров с последующим расчетом по формуле

(1.16)

где V_т— объемный расход топлива, м³, за рассматриваемый промежуток времени t, ч; ρ — плотность топлива, кг/м³.

Удельный расход топлива определяется: на единицу эффективной мощности, г/(кВтч):

(1.17)

на единицу объема выработанной продукции, г/ед.:

(1.18)

где П_т — техническая производительность машины в натуральных показателях.

Рациональными являются тяговый и скоростной режимы с минимальным значением g_e и максимальным N_p.

Проходимостьстроительной и дорожной машин характеризуется показателями, отражающими способность перемещать центр масс с наименьшей потерей скорости как в процессе выполнения работы, так и при переезде с одного объекта на другой.

Показатели проходимости самоходных машин можно подразделить на четыре группы (рис. 1.6): геометрические (вертикальные и горизонтальные); опорные; тягово-сцепные; транспортабельности (мобильности).

К показателям вертикальной геометрической проходимости относятся:

дорожный просвет, который определяется как расстояние от опорной поверхности до низшей точки рамы или трансмиссии машины при нахождении рабочего органа в транспортном положении;

углы переднего и заднего свеса, измеряемые между горизонтальной опорной поверхностью и касательными, проведенными к переднему или заднему колесу (или ветви) гусеницы через низшие точки передней и задней частей рамы или навесных рабочих органов, установленных в транспортное положение;

поперечный радиус проходимости, определяемый радиусом окружности, проходящей через низшую точку рамы или трансмиссии и касающейся внутренних поверхностей колес (или гусениц);

продольный радиус проходимости (для пневмоколесных самоходных дорожных машин), определяемый радиусом окружности, проходящей через низшую точку шасси или рабочего органа в транспортном положении и касающейся передних и задних колес.

Горизонтальная геометрическая проходимость характеризуется минимальным радиусом поворота, внешним габаритным радиусом, внутренним габаритным радиусом, поворотной шириной по следу колес и габаритной полосой движения. Эти показатели могут быть выделены в отдельную группу и характеризуют маневренность машины, т.е. способность поворота или разворота машины на ограниченной площади. Определение показателей маневренности производится для левого и правого поворотов. Если передние колеса пневмоколесных машин имеют возможность наклоняться, то минимальный радиус поворота определяется с наклоном и без наклона колес. Измерение радиуса поворота проводят по наружной стороне следа внешнего переднего колеса или гусеницы. Габаритная полоса движения для пневмоколесных машин определяется как расстояние между наружной стороной следа внешнего переднего колеса и внутреннего заднего колеса.

Показатели опорной проходимости характеризуют среднее удельное давление на опорную поверхность.

Для гусеничных машин

(1.19)

где b_г — ширина гусеницы, м; L_оп — длина отпечатка гусеницы, м.

Для пневмоколесных машин

(1.20)

где К_п — коэффициент, учитывающий влияние жесткости покрышки пневматической шины (0,120...0,145); р_в — давление воздуха в шине, Па.

Критерий тягово-сцепной проходимости характеризует плавность хода машины и определяется как отношение рабочей скорости на данном режиме работы к теоретической скорости при движении по одинаковой рабочей поверхности на аналогичной передаче. Чтобы скорость перемещения машины не уменьшалась из-за нарушения сцепления движителя с опорной поверхностью, необходимо соблюдение условия

(1.21)

где Т_сц — сила сцепления, Н; G_си — вес машины, приходящийся на ведущие колеса или гусеницы, Н; φ_си — коэффициент сцепления движителя с опорной поверхностью.

Транспортабельность (мобильность) — свойство, определяющее подвижность машины, т. е. ее способность и готовность к быстрому преодолению расстояния. Для самоходной машины применяется термин «мобильность», для машин, перемещающихся на прицепе-тяжеловозе, бортовом автомобиле или буксире к тягачу, — «транспортабельность».

Мобильность (транспортабельность) характеризуется скоростью перемещения от места стоянки к месту назначения:

(1.22)

(1.23)

где М — показатель мобильности (транспортабельности), км/ч; L_сн — расстояние от места стоянки до места назначения, км; Т_пер — время перебазировки, ч; Т_дв — время движения по маршруту с заданной скоростью υ_пер, км/ч, Т_дв = L_сн / υ_пер, ч; Т_м — время монтажа, ч; Т_д — время демонтажа, ч; Т_прс — время погрузки, разгрузки на прицеп тяжеловоза или сцепки с тягачом, ч.

Для самоходных машин Т_пер = Т_дв.

Самоходные машины в зависимости от транспортной скорости могут быть объединены в три группы:

I группа (скорость движения до 20 км/ч) — экскаваторы и краны пневмоколесные, катки самоходные с гладкими вальцами;

II группа (скорость движения 20...40 км/ч) — скреперы самоходные, экскаваторы-погрузчики, погрузчики фронтальные пневмоколесные, катки самоходные пневмоколесные, автогрейдеры;

III группа (скорость движения более 40 км/ч) — дорожные машины на базе автомобилей.

Универсальность — эксплуатационное свойство, характеризующее возможность машины использовать различное сменное оборудование.

Универсальность дает возможность использования машины всесезонно на разных основных и вспомогательных работах и тем самым увеличивает коэффициент использования машины в течение года. Универсальность характеризуется временем замены рабочего оборудования, при этом предпочтительным являются автоматизированные сцепные устройства, позволяющие заменять рабочее оборудование без выхода оператора из кабины.

В качестве примеров высокой степени универсальности можно привести погрузчик универсальный малогабаритный ПУМ-500 и его последующие модификации. Обладая грузоподъемностью основного ковша 500 кг, он, по желанию потребителя, может быть оснащен более чем двадцатью видами сменного оборудования, которые позволяют ему производить землеройно-транспортные, погрузочно-разгрузочные, подметально-уборочные, бетоносмесительные, сварочные, снегоуборочные и другие виды работ круглосуточно, выполняя работу нескольких бригад строительных рабочих. При этом время замены самого сложного вида сменного оборудования вместе с подключением к гидросистеме погрузчика не превышает 0,5 ч.

Отечественные экскаваторные заводы оснащают свои машины шлейфом сменного рабочего оборудования. Так, фирма «КРАНЭКС» (г. Иваново) оснащает свои экскаваторы серии ЕК восьмью видами ковшей различной конфигурации, вместимостью 0,4... 1,9 м³ с разнообразными областями применения, начиная от разработки профильных и узких траншей, разработки и погрузки скальных пород, планировки откосов и заканчивая очистными работами на дне водоемов. Кроме того, по желанию потребителя может быть поставлен рыхлящий зуб и три активных рабочих органа, питающихся энергией от гидросистемы экскаватора — гидромолот, гидравлический грейфер и гидробур.

Тверской экскаваторный завод «ТВЭКС» оснащает свои экскаваторы различными модификациями гидроножниц для разрушения железобетонных конструкций, бревнозахватом и фрезерной головкой для разработки прочных грунтов и удаления старых асфальтобетонных покрытий, а также скраповым грейфером для захвата и погрузки металлолома. Список разнообразных специальных сменных рабочих органов велик.

Информативность — эксплуатационное свойство, определяющее возможность получения оператором информации о состоянии, режимах работы машины и предаварийных ситуациях непосредственно в кабине машины. Характеристикой данного эксплуатационного свойства является наличие средств встроенной диагностики с выводом информации на бортовые приборы, а также бортовых компьютеров, способных фиксировать информацию, управлять машиной в рабочем режиме и выдавать информацию в визуальной форме на дисплее и в виде распечаток для проведения финансовых расчетов с оператором.

Информативность тесно связана со свойствами надежности и позволяет выполнять технические воздействия в зависимости от состояния систем машины.

Примером может служить микропроцессорная система контроля БКП-01У, устанавливаемая на экскаваторы четвертой размерной группы экскаваторным заводом «Ковровец». Система позволяет следить за девятью функциональными параметрами, в том числе температурой рабочей и охлаждающей жидкости; уровнем топлива; частотой вращения коленчатого вала дизеля; температурой и давлением масла в дизеле; напряжением в бортовой сети; уровнем рабочей жидкости; загрязненностью магистрального фильтра; давлением в первой и второй напорных линиях; давлением в системе управления. Кроме того, система управляет счетчиками наработки (моточасов и сменной), а через электромеханический привод — дизелем. Предусмотрено многорежимное управление силовой установкой — ручное и автоматическое в силовом, скоростном и экономичном режимах.

В многопроцессорной системе предусмотрено применение внешних средств контроля. При этом переносной компьютер типа «ноутбук» с программно-техническим средством (ПТС) «Диагностика и ремонт экскаватора» подключается к электронной микропроцессорной системе экскаватора под управлением операционной системы Windows. Программная часть системы составлена на языке Delphi 3. Для связи с БКП-01У используется последовательный порт СОМ. Питание компьютера осуществляется из бортовой сети экскаватора. ПТС обеспечивает предварительный и оперативный контроль параметров машин, их сохранение в базе данных и формирование протокола контроля и позволяет решать задачи диагностики.

Многофункциональные цветные мониторы оригинальной конструкции устанавливаются на экскаваторы ЕК 270-05 и ЕК 400-05 фирмы «КРАНЭКС». Монитор предназначен для управления и позволяет произвести предпусковую диагностику систем экскаватора. С целью предотвращения работы оборудования экскаватора в аварийном режиме на лицевой панели монитора имеются указатели температуры рабочей и охлаждающей жидкости, уровня топлива, давления масла в двигателе. Там же имеются индикаторы аварийной (красное свечение), предупредительной (желтое свечение) И информационной (зеленое свечение) сигнализации, которые позволяют контролировать основные рабочие параметры двигателя, гидросистемы и электропитания.

Особые требования к приборам безопасности и ограничителям зоны действия (так называемая координатная защита) предъявляются к грузоподъемным машинам как объектам повышенной опасности. Их подробное описание, так же как и рассмотрение других Показателей качества эксплуатации машин (рис. 1.2), приведено в Последующих главах учебника.

Контрольные вопросы

1. Каковы составляющие процесса эксплуатации машин? Дайте определения этих составляющих.

2. Каковы основные этапы жизненного цикла машины? Поясните их смысл.

3. Какие понятия включает в себя система эксплуатации? Дайте определения элементов этой системы.

4. Что такое качество эксплуатации машин? Какими показателями оно Оценивается?

5. Какими группами показателей характеризуется качество эксплуатации землеройных машин?

6. Какие группы показателей входят в структуру социальных показателей качества?

7. Что такое безопасность машины? Какие показатели входят в группу Активной и пассивной безопасности?

8. Что такое эргономичность машин? Из каких групп показателей она состоит?

9. Что такое техническая эстетика? Какими показателями она характеризуется и как их можно оценить?

10. Какие группы показателей входят в систему показателей назначения?

11. Что такое энергоэффективность, и какими группами показателей она оценивается?

12. Какие показатели тягово-скоростных свойств вам известны и как они определяются?

13. Что такое тягово-скоростная характеристика, для чего она строится и какими достоинствами и недостатками обладают современные подходы К ее определению?

14. Какими показателями определяется топливная экономичность машин?

15. Что такое проходимость машин? Какие группы показателей и показатели ее определяют?

16. Как вы понимаете термины «универсальность» и «информативность»?