«ИССЛЕДОВАНИЕ КОМ ПОНОВКИ ЛЕСН Ы Х К О Л Е С Н Ы Х ТРАКТО РО В С Ш А Р Н И Р Н О Й Р А М О Й К О Н С Т Р У К Ц И И ЛТА Лесные тракторы МТЗ-82Л и Т-150КЛ с колесной формулой 6 х 6 и их модификации Учебное пособие для ...»

П РО ЕКТИ РО В А Н И Е СП ЕЦ И А Л ЬН Ы Х Л ЕС Н Ы Х М АШ ИН

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМ ПОНОВКИ ЛЕСН Ы Х

К О Л Е С Н Ы Х ТРАКТО РО В С Ш А Р Н И Р Н О Й

Р А М О Й К О Н С Т Р У К Ц И И ЛТА

Лесные тракторы МТЗ-82Л и Т-150КЛ с колесной формулой 6 х 6

и их модификации

Учебное пособие

для студентов ЛМФ специальности 150405 и направлений 150400, 151000 всех форм обучения Санкт-П етербург 2011 Министерство образования и науки РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ имени С.М. КИРОВА»

Кафедра проектирования специальных лесных машин С.Ф. Козьмин, кандидат технических наук, доцент, М.Я. Дурманов, старший преподаватель, Г.В. Карш ев, кандидат технических наук, доцент, С.В. Спиридонов, кандидат технических наук, доцент

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОНОВКИ ЛЕСНЫХ

КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ С ШАРНИРНОЙ

РАМОЙ КОНСТРУКЦИИ ЛТА

Лесные тракторы МТЗ-82Л и Т-150КЛ с колесной формулой 6 х и их модификации Учебное пособие для студентов ЛМФ специальности и направлений 150400, всех форм обучения Санкт-Петербург Рассмотрено и рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией лесомеханического факультета Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии 13 мая 2010 г.

Р е ц е нз е нт ы :

ЗАО «Лесопромышленные машины»

(директор, кандидат технических наук В.Л. Довжик), кандидат технических наук, доктор сельскохозяйственных наук В.Г. Гусев (зав. лаб. Охраны леса от пожаров СПб ФГУ НИИ лесного хозяйства) УДК 634.0.323.13. Козьмин С.Ф.

Исследование компоновки лесных колесных тракторов с шарнирной рамой конструкции ЛТА / Лесные тракторы МТЗ-82Л и Т-150КЛ с колесной формулой 6 х и их модификации: учебное пособие / С.Ф. Козьмин [и др.]. - СПб.: СПбГЛТА, 2011.- 96 с.

ISBN 978-5Представлено кафедрой проектирования специальных лесных машин В учебном пособии рассматриваются вопросы создания и исследования компонов­ ки специальных колесных лесных тракторов класса тяги 14 и 30 кН с шарнирной рамой конструкции ЛТА. Теоретические основы компоновки лесных колесных тракторов (ЛКТ) с шарнирной рамой разработаны учеными кафедры проектирования специаль­ ных лесных машин Санкт-Петербургской лесотехнической академии. В пособии изло­ жена методика и приведены данные для расчета нагруженности ходовой части и анали­ за распределения нагрузок по ведущим мостам погрузочно-транспортных машин (ПТМ) на базе тракторов с колесной формулой 6 х 6. В соответствии с ГОСТ 26953-86, ГОСТ 26954-86 и ГОСТ 26955-86 изложена методика оценки соответствия ходовой си­ стемы колесной ПТМ нормируемым лесоводственным требованиям. Исследование компоновки лесного колесного трактора предполагает большой объем расчетной рабо­ ты. Для ускорения исследования компоновки в качестве приложения к данному учеб­ ному пособию на кафедре ПСЛМ разработана и предлагается в помощь студентам рас­ четная программа для ПК в среде Mathcad.

Библиогр. 20 назв. Табл. 19. Ил. 45. Прил. 3.

Темплан 2011 г. Изд. №... © Санкт - Петербургская государственная

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на лесохозяйственных работах применяются гусе­ ничные тракторы ТДТ-55А, ЛХТ-55, ЛХТ-100, а также серийные колесные сельскохозяйственные тракторы различного класса тяги. Однако примене­ ние гусеничных тяжелых тракторов ограничивается экономическими и экологическими условиями, а применение колесных сельскохозяйственных тракторов ограничивается их недостаточной проходимостью, маневренно­ стью и компоновкой, исключающей установку специального технологиче­ ского оборудования.

Специальный лесной колесный трактор (ЛКТ), в случае применения его на лесозаготовках имеет ряд преимуществ перед гусеничным. Эти пре­ имущества заключаются в следующем:

- колесный трактор имеет повышенную скорость движения на лесосеке;

- колесный движитель оказывает более щадящее воздействие на лесную - применение колесных тракторов сокращает время перебазирования с одного производственного участка на другой;

- использование колесного движителя уменьшает динамику нагруженности ходовой системы машины, улучшает плавность ее хода и тем самым позволяет повысить надежность машины в целом.

Учитывая острую потребность лесной промышленности и лесного хо­ зяйства в высокопроходимых, маневренных энергетических средствах, ка­ федра проектирования специальных лесных машин ЛТА им. С.М. Кирова в содружестве с Владимирским тракторным заводом, Липецким тракторным заводом, Минским и Харьковским тракторными заводами провели боль­ шую работу по созданию лесных тракторов с шарнирной рамой, которым присвоены марки Т-25АЛ, Т-40АЛ, МТЗ-82Л и Т-150КЛ. Первый ЛКТ с шарнирной рамой оборудованный трелевочным щитом и лебедкой был со­ здан в экспериментальных мастерских Ленинградской лесотехнической академии в 1965 году.

Основной конструктивной особенностью указанных машин является перекомпоновка серийного трактора и агрегатирование его с активным полуприцепом,- именно это направление создания специальных колесных лесных машин предложила кафедра, как наиболее эффективное [1-3].

Большинство вариантов реализации перекомпоновки по этому направле­ нию имеют одну схему - с базового трактора демонтируется передний мост с подвеской и приводом, а его детали используются для изготовления мо­ ста активного полуприцепа. Активный полуприцеп присоединяется к од­ ноосному тягачу с помощью шарнира (рис. 1.1). Для реализации колесной формулы 6 х 6 на полуприцепе используется тандемная тележка.

Рис. 1.1. Схема перекомпоновки серийного трактора и агрегатирования его с ак­ тивным полуприцепом Критериями оценки вариантов перекомпоновки сельскохозяйственных тракторов в специальные лесные с активными полуприцепами, а их было разработано более пяти, целесообразно считать следующие показатели:

стоимость машины, степень унификации, отношение массы системы к массе трелюемого груза, общую массу системы, проходимость и манев­ ренность [2].

При перекомпоновке машин, использующих в качестве переднего тя­ гового модуля сельскохозяйственные колёсные тракторы МТЗ-82 и Т-150К, выявился ряд недостатков: большая длина консоли моторного от­ сека, перегрузка колес одноосного тягача и пониженный дорожный про­ свет, которые снижали маневренность и проходимость машины [2]. Уже­ сточились требования к надежности и функциональности бортовых редук­ торов машины. Для уменьшения длины консоли и улучшения общей ком­ поновки необходимо было обеспечить возможность смещения передних колес тягача за счет поворота редукторов в продольной плоскости маши­ ны. С этой целью прорабатывались варианты использования бортовых ре­ дукторов от автогрейдера и серийных крутосклонных модификаций трак­ тора. В результате проведенных конструктивных доработок технические характеристики тракторов МТЗ-82Л с активными полуприцепами, по ряду критериев приблизились к характеристикам специальных лесных тракто­ ров с аналогичным классом тяги.

Для оценки компоновки ЛКТ используют коэффициент Кн неравно­ мерности распределения нагрузок на грунт от передних и задних колес (давления опорных элементов). Рациональной считается такая компоновка трактора, для которой при движении с грузом коэффициент Кн равен еди­ нице. У лесных модификаций тракторов МТЗ-82Л и Т-150КЛ с колесной формулой 6 х 6 Кн равен, соответственно, 1,19 и 1,07. Это говорит о том, что задний мост (тандемная тележка) перегружен массивным технологиче­ ским оборудованием, а доля полезной нагрузки снижена.

Кроме того, опыт эксплуатации лесных тракторов Т-25АЛ и Т-40АЛ выявил несоответствие их ходовых систем нормируемым лесоводственным требованиям,- максимальное давление на почву колесных движителей переднего и заднего мостов превышает нормативные значения и приводит к уплотнению почвы и образованию колеи [4]. Для реализации максималь­ ной грузоподъемности при использовании сельскохозяйственных шин приходиться повышать внутреннее давление воздуха в шинах и их жест­ кость, что и приводит к уменьшению площади опорной поверхности шин и повреждению почвы. Тем самым нарушается основное правило правильно­ го взаимодействия шины с грунтом,- на мягком и неровном грунте давле­ ние в шине должно быть низким, а на твердом и ровном - высоким.

Класс тяги и соотношение эксплуатационной массы и полезной нагрузки тракторов Т-25АЛ и Т-40АЛ позволяет отнести их к классу «лег­ ких» погрузочно-транспортных машин (ПТМ),- они предназначены для сбора и транспортировки пачек деревьев (сортиментов) объемом 1,0-3,5 м, однако их ходовые системы негативно воздействуют на почву и корневую систему подроста и деревьев. С учетом этого, при создании более тяжелых и мощных машин на базе сельскохозяйственных тракторов класса тяги и 30 кН с колесной формулой 6 х 6, необходимо учитывать экологические аспекты и снижать повреждаемость почвы не только за счет рационально­ го размещения (компоновки) технологического оборудования на машине, но и за счет использования специальных лесных широкопрофильных шин.

Например, на тандемной тележке рекомендуется использовать шины 600/55-26.5, 24.0/50-22.5 или 22.0/70-20. Маркировка шины 600/55-26. расшифровывается так: 600 - ширина профиля в мм; 55 - отношение высо­ ты профиля к его ширине (%); - - диагональное расположение нитей корда;

26.5 - диаметр обода в дюймах. В маркировке шин могут также использо­ ваться обозначения: 24.0 - ширина профиля в дюймах (612 мм); R - ради­ альная конструкция шины.

В первом разделе учебного пособия представлены общие сведения о взаимодействии колесной ходовой системы с почвой и экологической без­ опасности ПТМ. Во втором разделе представлены основные выражения для исследования компоновки лесных тракторов с шарнирной рамой и ко­ лесной формулой 6 х 6, обоснование обобщенных расчетных схем и основ­ ная оценка качества компоновки. В третьем и четвертом разделах даны сведения об конструктивных особенностях и технические характеристики лесных тракторов с колесной формулой 6 х 6 МТЗ-82Л и Т-150КЛ, соответ­ ственно.

1. ВОЗДЕЙСТВИЯ Л Е С О ЗА ГО ТО В И ТЕЛ ЬН О Й ТЕХ Н И КИ НА

Л Е С Н Ы Е Э КО С И С ТЕМ Ы

1.1. Системы м аш ин для хлыстовой технологии заготовки древе­ сины. П огрузочно-транспортная м аш ина к а к элемент системы лесоза­ готовительны х м аш ин В нашей стране основным является хлыстовой способ лесозаготовок.

Классическим техническим решением при хлыстовом методе является раз­ граничение этапов производственного процесса с точки зрения их механи­ зации.

При механизированном хлыстовом способе заготовки типовую тех­ нологическую цепочку составляют четыре гусеничные машины - валочнопакетирующая (валочно-трелёвочная), трелёвочная, сучкорезная и челюст­ ной погрузчик (рис. 1.2, 1.3). Основной машиной на мастерском участке является валочная, валочно-пакетирующая или валочно-трелевочная.

Остальные машины системы, предназначенные для выполнения последу­ ющих технологических операций, подбираются к ним в соответствии с техническими параметрами и эксплуатационными показателями.

Валочно-пакетирующая машина (ВПМ) валит и пакетирует деревья в пачки. Снабженный пачковым захватом или манипуляторным оборудова­ нием с захватным устройством, трелевочный трактор трелюет деревья на погрузочную площадку, где сучкорезная машина обрезает сучья и уклады­ вает хлысты в штабель под погрузку. В тех случаях, когда лесораститель­ ные и почвенно-грунтовые условия не позволяют ВПМ (ВТМ) формиро­ вать полнообъемные пачки для трелевочных машин с пачковыми захвата­ ми, целесообразно использовать трелевочные машины с манипуляторным оборудованием. На завершающей стадии мощный погрузчик загружает хлысты пачками на лесовоз, который доставляет их на нижний склад для раскряжевки и сортировки.

При благоприятных условиях этот метод механизации лесозаготовок очень эффективен, т.к. образует четкую последовательность разных этапов работ и их технических решений.

Однако, этот метод механизации лесозаготовок имеет и недостатки. В связи с тем, что ВПМ экскаваторного типа (ЛП-19А) не имеют коника, пачки за ними получаются недостаточного объема на один рейс трелевоч­ ному трактору. В связи с этим трелевочный трактор должен взять две-три пачки. При выполнении подъездов к небольшим пачкам в процессе набора пачки объемом, достаточным на рейс трактору, он дополнительно повре­ ждает подрост [10].

Рис. 1.2. Схема разработки делянки лентами, перпендикулярными усу, систе­ мой машин ЛП-19 + ЛТ-157 + ЛО-72: 1 - валочно-пакетирующая машина ЛП-19; 2 растущий лес; 3 - пачки деревьев; 4 - трелёвочный трактор ЛТ-157; 5 - поворот трелё­ вочного трактора; 6- сучкорезная машина ЛО-72 (ЛП-33); 7 - штабель деревьев; 8 штабель хлыстов; 9 - лесовозный ус; 10 - поворот валочно-пакетирующей машины Рис. 1.3. Схема разработки делянки лентами, перпендикулярными и параллельны­ ми усу, системой машин ЛП-17 + ТБ-1М + ЛП-30Б: 1 - валочно-трелёвочная машина ЛП-17; 2 - растущий лес; 3 - пачки деревьев; 4 - трелёвочный трактор; 5 - поворот трелёвочного трактора; 6- сучкорезная машина ЛП-30Б; 7 - штабель деревьев; 8 - шта­ бель хлыстов; 9 - лесовозный ус Большой объем транспортных операций по перемещению пачек дере­ вьев (хлыстов) по лесосеке, выполняемых гусеничными погрузочно­ транспортными машинами (ПТМ), является причиной разрушения поверх­ ностного слоя почвы и повреждения корневой системы растущих деревьев и подроста.

Практика ведения лесосечных работ показала [6,9], что подрост на лентах повреждается при дополнительных маневрах машины ЛП-19А и особенно во врем я трелёвки. Из-за интенсивного колееобразования тре­ левочные тракторы быстро разбивают волок, ограниченный следами ЛП-19А, и вынуждены передвигаться по неповрежденной части ленты. В результате общая площадь неповрежденной поверхности лесосеки сокра­ щается.

Увеличение объема пачек, формируемых ВПМ, является одним из главных резервов повышения производительности трелевочных тракторов.

Также необходимо учесть, что 60% времени цикла манипуляторных треле­ вочных машин составляют транспортные операции, связанные с переме­ щением машины и груза по лесосеке и наиболее критичные с экологиче­ ской точки зрения [1].

Для оценки экологической совместимости лесозаготовительных машин и лесорастительных условий можно использовать параметры, которые тра­ диционно использовались для сравнения машин [9]: удельная энергонасы­ щенность машины, относительный показатель массы технологического обо­ рудования и среднее удельное давление на грунт. Указанные параметры определяются из следующих выражений.

Удельная энергонасыщенность машины где Nyd - удельная энергонасыщенность машины, кВт/т; N H - номинальная мощность двигателя, кВт; т - масса машины, т.

Относительный показатель массы технологического оборудования где тто - масса технологического оборудования, т; тб - масса базового трактора или шасси, на котором монтируется технологическое оборудова­ ние, т.

Среднее удельное давление на грунт где q - среднее удельное давление на грунт, кПа; F - опорная площадь машины, м2.

В табл. 1.1 даны для сравнения указанные три параметра всех лесоза­ готовительных машин для лесосечных работ.

Удельная энергонасыщенность, относительный показатель массы технологического оборудования и среднее удельное давление на грунт отечественных лесозаготовитель­ ных машин [9] тором захватом хватом оборудованием Под системой машин для лесосечных работ можно представить набор машин, оборудования различного функционального назначения, увязан­ ных между собой по техническим параметрам и эксплуатационнотехнологическим показателям и предназначенных для последовательного выполнения всех операций технологического процесса лесосечных работ.

Для оценки экологической безопасности систем машин можно исполь­ зовать такие параметры как масса машин системы, мощность двигателей си­ стемы, удельная энергонасыщенность системы и удельная металлоемкость.

Последние два параметра системы определяются из следующих выраже­ ний где Nyd с - удельная энергонасыщенность системы, кВт/т; туд с - удельная металлоемкость системы, кг/кВт; N Hс - суммарная номинальная мощность двигателей системы, кВт; тс - суммарная масса машин системы, т.

Для систем, основанных на использовании валочно-пакетирующих машин, удельная энергонасыщенность составляет 3,9-6,3 кВт/т, а удельная металлоемкость 158-258 кг/кВт. В системах, сформированных на базе валочно-трелевочных машин, удельная энергонасыщенность равна 3,7-5, кВ т/т, а удельная металлоемкость 191-273 кг/кВт [9]. Для систем колес­ ных машин «харвестер + погрузочно-транспортная машина (форвардер)»

удельная энергонасыщенность составляет 7,5-11,5 кВт/т, а удельная металло­ емкость 87-133 кг/кВт. Таким образом, для большинства отечественных систем манипуляторных машин указанные удельные показатели не соот­ ветствуют современным требованиям.

Несоответствие вызвано не только низкой номинальной мощностью двигателей машин входящих в систему, но и одним из основных системо­ образующих параметров - массой машины, которая определяется высокой металлоемкостью технологического оборудования - 33-70% от массы ма­ шины. Масса машины и параметры ходовой системы определяют величи­ ну среднего удельного давления на грунт - показателя, нормирующего эко­ логическую совместимость машины с лесной средой.

Анализ эксплуатации систем лесосечных машин показывает, что при перевозке с лесной делянки 100 т древесины на землю, при хлыстовом м е­ тоде заготовки воздействует масса машин и механизмов равная 201-254 т, а при сортиментном - 106-119 т. Такая разница с точки зрения природо­ охранных задач существенна. Скандинавские исследователи отмечают, что разрушение поверхностного слоя почвы и повреждаемость корневой си­ стемы растущих деревьев и подроста при перемещении волоком суще­ ственнее, чем при перевозке того же груза в погруженном положении [8].

1.2. Влияние уплотнения лесных почв на их лесорастительны е свойства Гусеничные трелевочные машины оказывают существенное уплотня­ ющее воздействие на почву. Последствия уплотнения почвы показаны на рис. 1.4. Общая площадь поранений почвенно-растительного покрова при трелевке составляет 10...75% площади лесосеки [12, 13].

На волоках с большим числом рейсов трактора уплотнение почвы очень заметно. В настоящее время на лесозаготовках применяется трак­ торная трелевка тяжелыми тракторами с канатно-чокерной и бесчокерной (с манипуляторами и захватами) оснасткой на базе тракторов ТДТ-55 и ТТ-4.

Рис. 1.4. Последствия уплотнения почвы В работе [13] показано, как при тракторной трелевке происходит нарушение почвенного покрова - выделенные категории поранения поч­ венного покрова значительно различаются уплотнением верхних горизон­ тов почв в зависимости от количества рейсов трактора. Особенно сильно уплотняется почва в колее волока с увеличением количества рейсов трак­ тора, что влечет за собой снижение водопроницаемости и развитие линей­ ной эрозии почвенно-растительного покрова. При бессистемной трактор­ ной трелевке за комель деревьев с кронами в сильной степени повреждает­ ся почвенный покров на 40% площади лесосеки и на 90% уничтожается еловый подрост.

При существующей технологии лесосечных работ системой много­ операционных машин почти полностью уничтожается подрост, разрушает­ ся весь почвенно-растительный покров и почвы сильно уплотняются.

В бесснежный период при разработке лесосек с помощью системы ле­ сосечных и погрузочно-транспортных машин происходит перенос, пере­ мещение и уплотнение верхних горизонтов почвенно-растительного по­ крова. Поверхность почвы в значительной степени минерализуется на 50 площади лесосеки. Площадь, занятая уплотненными волоками, дости­ гает 40% площади лесосеки.

Значительным изменениям подвергаются водно-физические свойства почвенно-растительного покрова. Плотность почвенно -растительного по­ крова на пасечных волоках увеличивается в 1,5...2,0 раза, водопроницае­ мость снижается в десятки и сотни раз [12].

Трелевка деревьев за комли машинами с бесчокерным оборудованием вызывает сильное изменение микрорельефа поверхности почвенно­ растительного покрова лесосеки и его уплотнение. В месте разворота трактора образуются микроповышения, занимающие в среднем четвертую часть площади лесосеки. Микропонижения создаются на волоках и состав­ ляют более 40% площади.

Поверхность почвы в процессе трелевки значительно уплотняется и сильно минерализуется в результате сдирания лесной подстилки, переме­ шивания ее с минеральными горизонтами почвенно-растительного покрова или вдавливания в почву. Без учета площади погрузочных площадок, за­ нимающих до 50% площади лесосеки, площадь с уплотненной минерали­ зованной поверхностью лесосеки составляет около 60%. В целом, по всей площади лесосеки уплотненная минерализованная в разной степени по­ верхность составляет 85% [12].

Уплотнение почвы влияет на интенсивность роста деревьев и качество древесины.

Корневая система деревьев делает почву более структурной. После прорастания корня в почве, она становится более разрыхленной, обеспе­ чивая доступ воздуха к корневым волоскам. Вместе с углекислотой корни выделяют в окружающую среду сложные соединения, аминокислоты, ро­ стовые вещества. Это привлекает почвенные микроорганизмы. Почва ока­ зывает большое влияние на развитие и разрастание корневых систем дере­ вьев. Такие породы, как сосна, береза, осина имеют глубокие корневые си­ стемы, ель укореняется поверхностно. Корни ели усиленно разрастаются в горизонтальном направлении и поэтому, как было отмечено, особенно подвержены повреждениям при движении техники в лесу.

Независимо от глубины стержневых крупных корней основная масса всасывающих корешков и корневых окончаний расположена в верхнем слое почвы, поскольку он обладает лучшими физическими свойствами, со­ держит основное питание и обеспечивает достаточный подвод кислорода к корешкам за счет наличия почвенных пор.

Вследствие уплотнения почвы уменьшается объем пор, из -за чего сильно меняется воздушно-водный режим, что также ухудшает физиоло­ гическое функционирование корневых систем растений, оказывает отрица­ тельное влияние на водный баланс.

На влажных почвах машины, особенно при многократных проходах по волоку, могут нарезать глубокую колею. В ней застаивается вода, вызы­ вая амелиорацию отдельных лесных участков (рис. 1.5).

Использование мощной и тяжелой техники на лесозаготовках может вызвать длительные отрицательные воздействия на лесные участки. И с­ следованиями установлено, что на участках интенсивного использования Рис. 1.5. Первые стадии застойного увлажнения волока гусеничных машин почва остается уплотненной в течение 16 -40 лет. Заме­ ры, проведенные через 16 лет после работы машин, показывают, что почва уплотнена на 9-18% больше, чем на неповрежденных участках [14].

Если почва не уплотнена, то корневые ходы, трещины и другие внутрипочвенные полостные образования способствуют усиленному развитию корней и обеспечивают их прирост [14].

Уплотнение почвы в большей мере отрицательно влияет на развитие мелких корней деревьев, концентрация которых в гумусном слое 200- м/м. Мелкими являются корни диаметр которых равен 10 мм и меньше.

Количество таких корней составляет более 93% от всей корневой системы, а зона их распространения вокруг ствола достаточно обширна.

Установлено, что статическое давление машины на почву более кПа препятствует развитию мелких корней, а при давлении на почву 30- кПа их рост может быть затруднен. Давление на почву 90 кПа уменьшает рост молодняков на 15% в течение 3-4 лет после воздействия [14].

Современные технологии разработки лесосек предусматривают мно­ гократные проходы машин по ней. Вследствие этого площадь лесосеки подвергается за сезон двух-четырехкратному воздействию ходовых си­ стем, а отдельные участки лесосеки восьми-шестнадцатикратному [6].

Увеличение давления на почву и числа проходов движителей машин по лесосеке поставили перед лесоводами серьезную проблему переуплот­ нения почв, которая с каждым годом становится все острее. Причем пере­ уплотнение почв происходит не только в верхнем горизонте, но и на глу­ бине 40-50 см.

В результате этого корневая система растений формируется в преде­ лах почвообрабатывающего слоя (25...30 см), содержание влаги в котором неустойчиво, что в значительной степени отражается на продуктивности растений и деревьев. Наиболее общим показателем физического состояния почвы и плодородия является ее плотность. Последствия уплотнения поч­ вы движителями тракторов определяются характеристиками почвы во время воздействия на нее, и, главным образом, максимальным контактным давлением. Связано это с тем, что высокое контактное давление деформи­ рует структуру почвы, отдельные ее агрегаты, пористость которых обра­ боткой почвы и ее рыхлением не восстанавливается.

Таким образом, подходя к выбору ходовых систем и параметров дви­ жителей, обеспечивающих предельно допустимые нагрузки на почвенно­ растительный покров и принцип маневрирования (поворота), следует ис­ ходить из требования сохранения целостности почвенно-растительного покрова и особенно его важнейшего компонента - лесной подстилки.

Изложенное выше показывает, что наибольшую опасность для корне­ вой системы растений представляет уплотнение почвы под движителями машин, т.е. ее деформация с образованием колеи, под действием нагрузки от машины (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Результаты нескольких проходов форвардера ( а ) и гусеничного треле­ вочного трактора( б )[14] 1.3.Экологическая безопасность погрузочно-транспортны х м аш ин с колесной формулой 6 х Сила тяги Рк колесной погрузочно-транспортной машины (ПТМ), не­ обходимая для совершения грузовой работы, находится в прямой зависи­ мости от силы сцепления Х к ведущих колес с почвой и в обратной - от си­ лы сопротивления Р/ перекатыванию самой машины: Рк = Х к - Р/.

Сила сопротивления перекатыванию Р/ зависит от массы, нагружаю­ щей все колеса, ее распределения между ведущими и направляющими ко­ лесами, деформации шин и внутреннего трения в их материале, а также от свойств почвы (грунта).

Сила сцепления Х к определяется массой, нагружающей ведущие коле­ са, и площадью контакта колес с почвой, а также свойствами почвы.

Масса, нагружающая ведущие колеса, зависит от положения центра тяжести трактора, схемы размещения технологического оборудования на машине и компоновки. Площадь контакта колес с почвой зависит от раз­ меров шин, давления воздуха в них, формы и размеров рисунка про тектора, от глубины вмятия колес в почву.

Давление воздуха в шинах определяет величину деформации шины, площадь ее контакта с почвой, грунтом или дорогой (рис. 1.7). Чем меньше давление воздуха, тем больше деформация шины и площадь ее контакта с дорогой, а следовательно, выше сила сцепления, меньше давление на поч­ ву и глубина колеи. Но наряду с этим возрастают потери на внутреннее трение в материале шины и вызываемое ими сопротивление качению, снижается давление грунтозацепов и уменьшается их погружение в почву и сила сцепления. Это противоречие требует выбора оптимального давле­ ния воздуха для каждого вида почвы, грунта, дороги, которые указываются в инструкциях по эксплуатации базовых тракторов. Увеличение нагрузки требует увеличения давления воздуха в шинах (ГОСТ 7463 - 2003).

В результате воздействия движителей трактора в почве образуются значительные по размерам уплотненные зоны, концентрирующиеся вокруг следов трактора (рис. 1.8) и распространяющиеся на расстояние 0,8...1,0 м в обе стороны от следов гусениц или колес [5]. Эти зоны распростра­ няются на глубину 0. 3 0 см и достигают 0,6 м. При этом наиболее суще­ ственно изменяются плотность почвы и поровое пространство (объем пор и распределение их между воздушной и водной фазами).

Соотношение между объемами пор, занятыми воздухом и водой в почве, также имеет существенное значение. В почве происходят процессы, аналогичные процессу дыхания, вследствие которых потребляется кисло­ род и образуется углекислый газ. В уплотненной почве эти процессы не могут проходить нормально, так как накопление углекислоты может пре­ кратить процесс жизнедеятельности. Почва - не замкнутая система, между ней и окружающей средой происходит газообмен, в результате которого углекислота отводится из почвы. При увеличении уплотнения почвы объем воздушных пор уменьшается, газообмен сокращается, что отрицательно влияет на протекание биологических процессов, а следовательно, на рост и развитие лесных растений, подроста и деревьев.

Рис. 1.8. Процессы деформации и уплотнения, происходящие в почве в результа­ те воздействия колесных движителей тракторов Уплотненные зоны оказывают негативное влияние на водный, воз­ душный и питательный режимы в почве.

Исследователи сельскохозяйственных тракторов и машинно­ тракторных агрегатов оценивают уплотняющее воздействие движителя по­ казателем U. Ученые Всесоюзного института механизации (ВИМ) и иссле­ дователи экологической совместимости движителя сельскохозяйственных тракторов с почвой [7] установили предельные значения показателя уплот­ няющего воздействия U = 75-80 кН/м. Однако тяжелые сельскохозяй­ ственные тракторы типа К-701, Т-150К и машинно-тракторные агрегаты на их базе создают уплотняющее воздействие на почву в 2-3 и более раз пре­ вышающее предельное (табл. 1.2).

Основные параметры ходовых систем колесных сельскохозяйственных тракторов, ис­ пользуемых в качестве базовых для перекомпоновки в лесохозяйственные машины [5] Марка Из таблиц 1.2 и 1.3 видно, что сельскохозяйственные шины, использу­ емые на переднем активном модуле после перекомпоновки машин ТАМ, МТЗ-82 и Т-150К, обеспечивают малую площадь опорной поверх­ ности (200-470 см ), т.к. имеют недостаточную ширину профиля (345- мм). Максимальное давление на почву qmax при этом значительно превы­ шает нормативное и составляет 140-203 кПа. Причем, для ПТМ МТЗ-82Л и Т-150КЛ давление на почву от движителей переднего моста 2 1олнпри пе­п рекомпоновке возрастает с 60-64% от массы трактора до 70%, за счет рас­ пределения массы технологического оборудования и груза. При движении по лесосеке с грузом давление в шинах переднего моста составляет не ни­ же 0,15 МПа для реализации максимальной грузоподъемности машины, что уменьшает и без того недостаточную действительную площадь кон­ такта шины с грунтом (см. рис. 1.7).

Таким образом, для ПТМ с колесной формулой 6 х 6 при оценке эколо­ гической безопасности по критерию максимального давления колесного движителя на почву, характерен случай, когда давление qmax под движи­ телями переднего моста больше давления под движителями тандемной те­ лежки, при 7 1олн < Z п°лн более, чем в два раза. Для движителей тандемной тележки снижение qmax возможно за счет применения специальных моно­ гусениц (рис. 1.9), а для снижения давления под колесами переднего моста необходимо использование лесных широкопрофильных шин.

Параметры шин, используемых на базовых сельскохозяйственных тракторах [5] Обо­ значе­ наружный давление допусти­ радиальная действительная статиче­ шины тр анспортных м аш ин нормируемым л есовод ственным требов аниям Технический уровень перспективных тракторов различного назначе­ ния и качество их функционирования на производстве оценивается в зна­ чительной мере по степени отрицательного воздействия на окружающую среду или экологическому ущербу. Отрицательное воздействие лесопро­ мышленного трактора в процессе его работы в основном проявляется в уплотнении лесной почвы и изменения ее структуры. В 1991 году введена обязательная экспертиза лесозаготовительных тракторов и машин на их базе. Одним из основных параметров, нормируемых лесоводственными требованиями, является давление движ ителей тракторов на грунт, предельно допустимое значение которого не должно превы ш ать 40 кП а. Однако характер работ, выполняемых лесопромышленными трак­ торами, близкий к работам, выполняемым в сельскохозяйственном произ­ водстве, дает возможность использовать нормативы воздействия на почву, установленные в ГОСТ 26955-86 «Техника сельскохозяйственная мобиль­ ная. Нормы воздействия движителей на почву» [17]. Согласно данному до­ кументу, предельно допустимое давление движителя трактора на грунт, за­ висящее от влажности почвы и периода года, не должно превышать значе­ ний указанных в таблице 1.4.

Очевидно, что применяемые при хлыстовом способе заготовки тяже­ лые механизмы не соответствуют многим современным экологическим и природоохранным требованиям,- например, при использовании гусенич­ ной техники происходит значительное нарушение поверхности почвы [14].

Поскольку хлыстовой способ лесозаготовок в России будет доминирую­ щим еще долгие годы [10], то лесосечные м аш ины нового поколения целесообразно проектировать на колёсной базе. Кроме того, учитывая Нормы максимального давления движителей на суглинистую и глинистую почву и нормального механического напряжения в почве по ГОСТ 26955 - Влажность почвы в давление на почву ние на почву шести­ напряжение в слое 0-30 см колесного и гусе­ колесного (N = 3) почве на глубине НВ - наименьшая влагоёмкость почвы 2 Для лесосечной машины с колесной формулой 6 х 6 нормы максимального давления для всех движителей (N), перемещающихся по одному следу уменьшают на 5 %, а для машин с колесной формулой 8 х 8 (N = 4) - уменьшают на 10 % [17]. Перемещающимся по одному следу необходимо считать такой движитель, след которого перекрывает сле­ ды других движителей не менее чем на 70 мм. Для колесных движителей, имеющих ши­ ны с высотой рисунка протектора не более 25 мм, нормы максимального давления на почву увеличивают на 15 %.

экономические и экологические аспекты, реальной альтернативой в Евро­ пейской зоне России хлыстовому способу заготовки является сортимент­ ный, с использованием систем колесных машин.

При использовании колесной техники можно избавиться от указанных выше недостатков, но тогда, с учетом работы машин на участках со слабой несущей способностью грунтов, колёсная формула машины должна быть 6 х 6 или 8 х 8, а площадь пятна контакта шины с грунтом - больше, чтобы их заглубление не наносило вреда почве. При этом возникает необходи­ мость использования специальных широкопрофильных шин (рис.1.9, 1.10).

Рис. 1.9. Специальные лесные шины типа TWIN Forestry Allround фирмы Trelleborg (Швеция) Forest Rider Forest King F Nordman Forest Forest King TRS L-2 Forest King ELS L-2 Forest King TRS Рис. 1.10. Специальные лесные шины фирмы Nokian (Финляндия) Параметры шин, рекомендуемых для использования на погрузочно-транспортных _ машинах с колёсной формулой 6 X Ось передняя задняя Оценку соответствия ходовой системы колесной погрузочно­ транспортной машины (ПТМ) нормируемым лесоводственным требовани­ ям проведем для специальной сельскохозяйственной/лесной шины Бел- 24.0/50-22.5 (табл. 1.5).

Площадь контакта шины колеса с почвой F^- (м ), приведенную к условиям работы на почвенном основании, определяем по формуле г- - контурная площадь контакта протектора шины, м 2, - определяется где на жестком основании по ГОСТ 7057-2001; - коэффициент, зависящий от наружного диаметра шины колеса, - при наружном диаметре шины от 1200 до 1500 мм к^ = 1,15 [18].

Контурная площадь контакта протектора шины F$ (м ) определяется как площадь эллипса по формуле где Ьё и 1ё - соответственно, ширина и длина опорной площади колеса, м, при этом за ширину отпечатка Ьё принимают наибольший размер отпечат­ ка в плоскости, перпендикулярной направлению вращения колеса ( Ьё = 0,65 м).

Максимальное давление колесного движителя на почву qmax (кПа) определяем по формуле [15] где qnd - среднее давление колесного движителя на почву, кПа:

Оё - сила веса, создающая статическую нагрузку на почву единичным колесным движителем, Н; к2 = 1,5 - коэффициент продольной неравно­ мерности распределения давления по площади контакта шины [15].

Сила веса Оё, создающая статическую нагрузку на почву единичным колесным движителем, определяется по результатам анализа компоновки машины (табл. 1.6) для наиболее нагруженной задней тандемной тележки, при условии равномерного распределения нагрузки на четыре колеса Результаты расчета значений технологических сил и давления под колесами погрузочно-транспортной машины (сортиментовоза) Т-150КЛ (Уп = 8,0 м3) град Длину 1ё (м) контактного отпечатка колеса можно определить из вы­ ражения где Rjd —(Ьё + 1 )/2,5, м; Н - высота профиля шины, м, - для шины 24.0/50-22.5 отношение высоты профиля к ширине составляет 50%, т.е. Н = 0,306 м ; f —D - rftfi - статический прогиб шины, м. Для шины Бел- наружный диаметр составляет D = 1,205 м; статический радиус качения гпд = 0,521 м.

Определим Rjd : Rd —(0,65 + 0,306)/2,5 —0,382 м.

Определим статический прогиб шины Определим длину контактного отпечатка Тогда, площадь контакта шины колеса с почвой составит Определим среднее давление колесного движителя на почву Максимальное давление колесного движителя на почву составит В соответствии с ГОСТ 26954-86 [16] определяем максимальное нор­ мальное напряжение в почве Gh (кПа) на глубине h = 0,5 м для каждого единичного движителя где a —^ = 0,236 м; Ь —- ^ = 0,325 м; qnd - среднее давление единичного движителя, кПа.

Максимальное нормальное напряжение в почве для каждого единич­ ного движителя наиболее нагруженной задней тандемной тележки состав­ ляет Gh = 39,8 кПа.

Вывод: В соответствии с ГОСТ 26954 - 86 и ГОСТ 26955- 86 эксплуа­ тация колесной ПТМ Т-150КЛ с грузом (V = 8,0 м ), по критериям макси­ мального давления на почву и максимального нормального напряжения в почве, возможна в летне-осенний период при влажности почвы от 0,5 НВ и менее.

Дальнейшее расширение зоны эксплуатации колёсной ПТМ по вели­ чине давления на грунт возможно с применением широкопрофильных шин низкого давления и установкой специальных гусениц на колеса тележки.

По данным исследований [14], при использовании гусениц площадь контакта с почвой увеличивается в среднем в два раза, что в свою очередь приводит к уменьшению давления на грунт также в два раза, многократно увеличивается сцепление носителя с поверхностью почвы.

В настоящее время успешно применяются экологические моногусени­ цы (рис. 1.11 ), которые устанавливаются на колёса тандемных тележек машин. Преимущества их использования представлены в табл. 1.7.

Рис. 1.11. Экологическая моногусеница для лесосечной техники: способ установки на шины (а); принцип снижения удельного давления на грунт за счет увеличения пло­ щади опорной поверхности в 1,8-1,9 раза (б) Оценка соответствия ходовой системы ПТМ Т-150КЛ нормируемым лесоводственным использова­ мальное ное давление ление колес­ контакта приходя­

2. И ССЛЕДОВАНИЕ КО М П О Н О В КИ Л ЕС Н Ы Х К О Л ЕС Н Ы Х

ТРА КТО РО В С Ш А РН И РН О Й РАМ ОЙ

ДЛЯ ВЫ ВОЗКИ ДРЕВ ЕС И Н Ы

2.1. П остановка задачи ком поновки лесной м аш ины Основными средствами удовлетворения требований к компоновке яв­ ляются целенаправленное распределение масс машины, обеспечивающее заданные пределы изменения центра масс в условиях эксплуатации, а также целенаправленное распределение сил между несущими элементами маши­ ны, обеспечивающее заданные пределы изменения результирующей той или иной совокупности сил в производственных условиях функциониро­ вания машины. Как распределение масс, так и распределение сил может быть оценено количественно, что позволяет придать задаче компоновки конкретную форму, которая заключается в выборе положений центра масс и центра давления опорных элементов. Однако конкретность задачи еще не означает ее определенности. Причина неопределенности кроется в проти­ воречивом характере ряда требований к компоновке. Например, требования максимума рабочей зоны, минимума удельного давления на грунт и мини­ мума массы опорных элементов [2].

Для определенности задачи необходимо все основные требования фор­ мализовать в виде ограничений, а одно из требований принять за крите­ рий оптимальности компоновки, например, степень неравномерности нагрузки опорных элементов машины, стремясь имеющимися средствами минимизировать эту неравномерность.

Итак, задан ряд элементов, из которых должна быть скомпонована лесная машина, формализованы ограничения, определена совокупность компоновочно - кинематических схем. Среди множества схем требуется вы­ брать ту, для которой степень неравномерности нагрузки опорных элемен­ тов машины минимальна.

Как следует из постановки задачи, основой для выбора оптимального решения является сопоставление показателей качества компоновки конкури­ рующих между собой компоновочно - кинематических схем.

2.2. Рабочие гипотезы и принципы компоновки лесных м аш ин Лесная машина при взаимодействии с упругим предметом труда испы­ тывает сложное нагружение. Примем следующие рабочие гипотезы [2,11].

1. Будем рассматривать в качестве нагрузки машины сосредоточенные статические силы и инерционные силы, обусловленные ускорениями центра масс. Силы, обусловленные колебаниями машины, не учитываются.

2. Будем рассматривать машину, стоящую или движущуюся по абсо­ лютно ровной опорной поверхности.

Общий принцип компоновки заключается в выборе способа приведения сил. За основу принимается корпус машины. К нему приводятся силы, пере­ даваемые от движителя, технологические силы, передаваемые через техноло­ гическое оборудование, массовые силы (силы тяжести и инерционные), и в соответствии с принципом Даламбера решается задача статики для опре­ деления сил, передаваемых через оси на ходовую часть машины и с ходо­ вой части на корпус.

Зная силы, действующие на корпус маш ины, можно решать кон­ кретные задачи по определению нагрузок на опорные элементы, запаса устойчивости и др.

Для того, чтобы определить нагрузки, передаваемые от ведомого колеса на ось трактора, рассмотрим вначале силы, действующие на ко­ лесо (рис. 2.1, а). От трактора на колесо через ось передается нормаль­ ная к поверхности земли сила Q j, с силой Sg^ корпус трактора толкает колесо. Со стороны опорной поверхности на колесо действуют нор­ мальная Rj и касательнаяR2 реакции. Кроме того, на колесо также дей­ ствуют массовые силы: сила тяжести колеса G&, сила инерции О и мо­ мент I $.

Действие ведомого колеса на ось трактора может быть представлено совокупностью двух сил (рис. 2.1, б): нормальной Zj и касательной S силами реакции. Нормальная реакция Zj определяется из равенства Zj = Q i, т.к. действие равно противодействию.

Рис. 2.1. Схема сил, действующих на ведомое колесо (а) и передаваемых от колеса на корпус трактора (б) Затруднение вызывает вычисление горизонтальной составляющей S,- она численно равна силе Sg^, которая и подлежит определению.

Для ее определения составим уравнения равновесия в проекциях на оси координат OXZ Система уравнений (2.1) содержит три неизвестных: толкающую силу, передаваемую с оси на колесо, и две реакции опоры R, R2. Решая систему (2.1) относительно неизвестных, получим следующие выраже­ ния для искомых сил Итак, на ось колеса (на корпус трактора) передаются следующие силы от ведомого колеса [2] Если качение колеса осуществляется без скольжения, то между угло­ вым ускорением колеса и ускорением оси колеса имеет место следующее соотношение где rg - расстояние от мгновенного центра скоростей до оси колеса.

Тогда, с учетом последнего равенства и преобразования суммы по­ следних двух членов, выражение (2.3) представится в виде Здесь расстояние от оси до мгновенного центра скоростей 'ё пример­ но равно динамическому радиусу колеса гдк.

Для эластичного колеса с пневматической шиной различают следую­ щие радиусы, величина и наименования которых условны [5].

Свободный радиус колеса гс равен половине диаметра наибольшего окружного сечения беговой дорожки колеса при отсутствии контакта ко­ леса с опорной поверхностью.

Статический радиус колеса гс$ - расстояние от центра неподвижного колеса, на которое действует только нормальная нагрузка, до опорной плоскости. Его можно определить непосредственно замером или по фор­ муле гс$ = гс —H, где H = Q i/C0n - прогиб шины под действием нор­ мальной нагрузки Q i; N 0n - нормальная жесткость шины.

Динамический радиус колеса гдк - расстояние от центра колеса до опорной плоскости при движении колеса.

На ось ведущего колеса передаются тянущая сила р - S, численно равная S p,- реакции корпуса машины на тянущее усилие ведущего ко­ леса, нормальная реакция Zi и реактивный момент I $ (рис. 2.2, б). Схе­ ма сил, действующих на ведущее колесо, существенно отличается от схемы сил, действующих на ведомое колесо [2,11]. В этом легко убе­ диться, сопоставив схемы сил, приведенные на рис. 2.1, а и 2.2, а.

Рис. 2.2. Схема сил, действующих на ведущее колесо (а) и передаваемых от коле­ са на корпус трактора (б) Принципиальных отличий имеем три: у ведущего колеса реакция R2 направлена по движению трактора, сила S $ - против движения, у ведомого - наоборот и, наконец, от ведущего колеса передается на кор­ пус трактора реактивный момент I $.

Составим уравнения равновесия системы сил, действующей на ве­ дущее колесо Решая эту систему уравнений относительно неизвестных сил R i, R2 и Sp, получим S $ = ---------(Qi + Оёё c o s a )------- m ё ё W o ------- x — —Оёё sin a.

Отношение крутящего момента I ёд к динамическому радиусу колеса гдк численно равно касательной силе тяги Вё колеса Таким образом, на корпус трактора передаются следующие силы от ведущего колеса,- нормальная сила Zi и касательная сила S $ = Рё —S, направленная вперед, и реактивный момент I $, численно равный крутя­ щему моменту [2] Мы рассмотрели силы и моменты, передаваемые от ведомого и веду­ щего колес на корпус трактора. Лесопромышленные колесные тракторы обычно выполняют полноприводными, т.е. колеса переднего и заднего мо­ стов являются ведущими. Для реализации колесной формулы 6 x 6 на лес­ ных тракторах МТЗ-82Л и Т-150КЛ используется тандемная тележка, гру­ зоподъемность которой определяет рейсовую нагрузку машины.

Другой особенностью лесопромышленного трактора в отличие от сельскохозяйственного является то, что при холостом ходе (без груза) ста­ тическая нагрузка на передние колеса в 2,0...2,5 раза превышает нагрузку на задние (у сельскохозяйственного она примерно равная). Это позволяет достигать равномерной нагрузки на колеса при транспортировке пачки де­ ревьев (сортиментов), т.е. Qi = Q2.

Развитая колесная формула, правильно распределенная по колесным движителям масса машины и груза и эффективная силовая передача поз­ воляют реализовать высокое тяговое усилие машины. У машин с колесной формулой 6 x 6 колеса переднего моста имеют больший диаметр, чем коле­ са задней тандемной тележки, - такую схему компоновки целесообразно использовать для снижения центра тяжести перевозимого груза, а частоту вращения колес синхронизировать при помощи раздаточной коробки диф­ ференциального типа (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Раздаточная коробка коробка; 2 - главная передача; 3 - бортовая передадифференциального типа ча; 4 - колесный редуктор Силовая передача тандемной тележки (рис. 2.4) состоит из главной передачи 2 с центральным межосевым дифференциалом, двух бортовых передач 3 зубчатого типа и четырех колесных редукторов 4 планетарного типа.

Карданные передачи (рис. 2.5) служат для передачи крутящего мо­ мента от валов раздаточной коробки к переднему мосту и задней тандем­ ной тележке. Передача состоит из карданного вала 1 привода переднего Рис. 2.5. Карданные передачи переднего моста и задней тандемной тележки: 1 карданный вал привода переднего моста; 2 - двойная вилка; 3 - промежуточная опора;

4 - карданный вал привода задней тандемной тележки; 5 - сапун моста, двойной вилки 2, промежуточной опоры 3 и карданного вала 4 при­ вода задней тандемной тележки. Каждый из валов имеет телескопические шлицевые соединения, которые позволяют валам изменять длину при по­ воротах машины, а также при монтаже.

Бортовые передачи зубчатого типа (рис. 2.6) служат для передачи кру­ тящего момента от главной передачи к колесным редукторам тележки.

Рис. 2.6. Бортовая передача тандемной тележки Главная передача выполняется с парой гипоидных колес (рис. 2.7).

Гипоидные передачи по сравнению с обычными коническими, имеющими криволинейные зубья, обладают следующими преимуществами [20]:

- при одинаковых передаточных числах гипоидная шестерня имеет больший диаметр, чем обычная, что значительно повышает ее надежность;

- контактные напряжения на зубьях гипоидных передач при тех же раз­ мерах ниже, чем у конических колес, что повышает их усталостную долгогипоидная передача работает более бесшумно.

В то же время у гипоидных передач наблюдается повышенное сколь­ жение зубьев не только вдоль профиля зуба, но и по его длине, что обу­ словливает применение специального смазочного материала.

Два длинных болта 4 (см. рис. 2.7) используются как съёмники для снятия стакана подшипников 5.

После регулировки натяга в подшипниках 15, 16 ведущей шестерни для обеспечения правильного зацепления главной передачи необходимо выдержать размер А = 189 ± 0,1 мм. Для получения размера А нужно вы­ нуть необходимое количество прокладок 6 (при установке новых подшип­ ников возможно добавление прокладок).

Симметричные дифференциалы с коническими или цилиндрическими зубчатыми колесами (рис. 2.8, б) имеют малое внутреннее трение и рас­ пределяют крутящий момент между полуосями почти поровну. Такой дифференциал обеспечивает передачу крутящих моментов на колеса, ко­ торые вращаются с различными угловыми скоростями при движении на повороте, по неровной дороге и при неизбежном различии радиусов каче­ ния ведущих колес.

Дифференциалы с цилиндрическими колесами обычно применяют как межосевые, в которых предусмотрено несимметричное распределение кру­ тящего момента, который распределяется пропорционально радиусам ка­ чения ведущих передних и задних колес.

В лесных колесных тракторах высокой проходимости применяют бло­ кируемые дифференциалы (с принудительной блокировкой) и дифферен­ циалы повышенного внутреннего трения. Наиболее простым способом полной блокировки является блокировка с помощью зубчатой муфты [20].

При этом осуществляется прямое соединение полуоси с корпусом диффе­ ренциала. Блокировка зубчатой муфтой возможна или при остановке, или при прямолинейном движении машины, когда отсутствует движение полу­ оси относительно корпуса дифференциала.

Рис. 2.8. Центральный корпус (а) и центральный межосевой дифференциал (б) тандемной тележки Колесные редукторы служат для передачи крутящего момента от бор­ товой передачи к колесам машины и преобразования крутящего момента.

Основными элементами планетарного колесного редуктора (рис. 2.9,а) являются: ведущая солнечная шестерня 12, неподвижная эпициклическая шестерня 2 и водило 5. Три сателлита 3, вращающиеся на осях 4, установ­ лены в водиле 5, которое шпильками и гайками закреплено на корпусе редуктора.

Водило 5, корпус 14 и картер 15 планетарного редуктора являются ве­ домой частью конечной передачи, к которой прикреплено ведущее колесо.

Рис. 2.9. Колесный редуктор планетарного типа (а) и пневмогидравлический ко­ лесный тормоз (б): 1,18 - ступицы; 2 - эпициклическая шестерня; 3 - промежуточная шестерня (сателлиты); 4 - ось сателлита; 5 - водило; 6 - стопорная шайба; 7 - регулиро­ вочная гайка; 8 - контргайка; 9 - гайка; 10 - пробка; 11 - крышка; 12 - солнечная ше­ стерня; 13,16 - конические подшипники; 14 - корпус редуктора; 15 - картер редуктора;

17 - торцовое уплотнение; 19 - полуось деляется произведением передаточных отношений главной передачи U^, бортовой передачи U^, колесного редуктора U ^ и может составлять 17...23.

Сборочный чертеж тандемной тележки лесной колесной машины представлен на рис. 2.10.

Рис. 2. JO. Сборочный чертеж тандемной тележки лесной колесной машины На ЛКТ с колесной формулой 6 х 6 используется тандемная тележка с четырьмя одинаковыми колесами, что позволяет упростить расчетную схему сил и моментов, действующих на корпус машины, и свести её к ко­ лёсной формуле 4 х 4 (рис. 2.11). При этом упрощении динамический ради­ ус гда передних и задних колес имеет одинаковое значение.

Рис. 2.11. Приведение колесной формулы 6 х 6 трактора к формуле 4 х 4, с целью упрощения расчетной схемы Схема сил, действующих на колесный трактор должна отражать прин­ цип создания силы тяги (рис. 2.12) [3]. Сила тяги колесного трактора приложена к ведущим осям. Ей противодействует сила сопротивления движению S. На рис. 2.12, с учетом упрощения расчетной схемы (см. рис.

2.11), приняты следующие обозначения: D§i - S\ и D§ 2 - S2 - толкающие силы, соответственно на опорах 1 и 2 корпуса трактора и активного полу­ прицепа; S\ и S 2 - силы сопротивления движению колес трактора и актив­ ного полуприцепа; M p \ и M p 2 - составляющие суммарного реактивного момента, действующего на корпус в опорах 1 и 2; Оё - вес корпуса агрега­ та, приложенный в центре масс (Ц.М.); Z\ и Z 2 - нормальные реакции от ходовой части в опорах 1 и 2 корпуса; N и T - вертикальная и горизон­ тальная составляющие внешних сил, приложенных к трелюемому дереву, инвертированных к корпусу агрегата.

Рис. 2.12. Обобщенная схема действия сил и моментов на корпус трактора с ак­ тивным полуприцепом где M p \ и M p 2 - реактивные моменты, передаваемые корпусу агрегата со­ ответственно от колес трактора и полуприцепа; I д - общий реактивный момент, передаваемый ведущими колесами корпусу агрегата; гдк - дина­ мический радиус колеса; Вё - касательная сила тяги на колесах агрегата где Вё1и Вё2 - касательные силы на колесах трактора и активного полу­ прицепа, соответственно.

2.3. О ценка ком поновки лесных колесны х тракторов Оптимальная компоновка ЛКТ для вывозки леса должна обеспечивать распределение его общей массы в статическом состоянии без груза следу­ ющим образом: 70% массы - на колеса переднего моста, 30% массы - на колеса заднего моста трактора. При движении с пачкой деревьев давление под колесами переднего и заднего мостов трактора должно быть одинако­ вым.

Основную оценку компоновки ЛКТ производят коэффициентом не­ равномерности распределения нагрузок на грунт от передних и задних ко­ лес (давления опорных элементов). Рациональной считается такая компо­ новка трактора, для которой при движении с грузом коэффициент Кн равен единице. Достижение минимума неравномерности давлений опорных эле­ ментов трактора на поверхность пути и составляет суть задачи оптимиза­ ции компоновки, повышения ее качества. Коэффициент неравномерности давлений определяется по формуле [11] где Zm, Zm - максимальное и минимальное давления на грунт, соответ­ ственно, Н; Z f 0™, ZПолн - полная нагрузка на грунт от передних и задних колес, соответственно, Н.

При движении без груза ЛКТ, как правило, имеют значительную не­ равномерность распределения давления опорных элементов. Более нагру­ женными оказываются передние колеса. В табл. 2.1 приведены значения коэффициента неравномерности Кн для различных марок тракторов.

Коэффициенты неравномерности распределения нагрузок тракторов (без груза) № Марка тяжести, грунт от перед­ грунт от зад­ неравномерности Из табл. 2.1 видно, что наиболее высокий коэффициент неравномер­ ности распределения нагрузок Кн имеет двухосный трактор Т-40 АЛ с ко­ лесной формулой 4 х 4. Это указывает на то, что его задний мост может быть загружен значительной полезной нагрузкой, получая при этом рав­ номерную загрузку передних и задних колес трактора при движении с гру­ зом. У тракторов МТЗ-82Л и Т-150КЛ с колесной формулой 6 х 6 задний мост (тандемная тележка) перегружен массивным технологическим обору­ дованием.

Распределение давлений на поверхность пути зависит от множества факторов. Среди них имеются такие, которые вызывают как положитель­ ное, так и отрицательное смещение центра давления на опорную поверх­ ность. К таким факторам относятся горизонтальное ускорение центра масс х (разгон, торможение), продольный уклон пути а (подъем, спуск), а так­ же расположение точки приложения вертикальной и горизонтальной тех­ нологических сил (N и Т). Все эти факторы влияют на неравномерность распределения давления на опору со знаками "+" или "-".

Так как при работе в производственных условиях разгон сменяется торможением, подъем чередуется со спуском, равновероятен как левый, так и правый крен, в качестве расчетного случая необходимо принять не­ что среднее, чем является установившееся движение трактора по горизон­ тальной поверхности. Поэтому оптимальной считается такая компоновка ЛКТ, у которого при движении с грузом коэффициент Кн близок к едини­ це. Это достигается рациональным размещением технологического обору­ дования и груза, изменением базы трактора, смещением центра масс и т.п.

В свою очередь, от размещения всех элементов транспортной системы "ЛКТ - груз" зависит ее продольная и поперечная устойчивость и, соответ­ ственно, безопасность ее работы. Особо важно оценить качество компо­ новки ЛКТ с точки зрения обеспечения его поперечной устойчивости при движении с грузом на склонах или при преодолении препятствий. Схема сил, действующих на трактор при движении по склону, показана на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Схема сил, действующих на трактор при движении с грузом по склону Устойчивость трактора обеспечивается при угле крена у, не превыша­ ющем его некоторого предельного значения упр, т.е. у < упр. Для опре­ деления предельного угла крена составим уравнение моментов всех сил относительно точки А (см. рис. 2.13) где Zn - суммарная реакция почвы под правыми колесами трактора, Н ; В ширина колеи трактора, м; От- сила тяжести трактора без груза, Н; N вертикальная технологическая нагрузка от силы тяжести груза, Н; у - угол крена; кц - высота центра масс трактора, м; Ит- высота точки опоры тре­ люемой пачки деревьев (или центра тяжести пакета сортиментов), м.

Опрокидывание трактора относительно точки А произойдет в случае, когда реакция Z ^ 0, угол крена у > упр. Тогда из выражения (2.12) имеем Разделив левую и правую части данного равенства на cos упр, после преобразований получим формулу для определения предельного угла кре­ Из формулы (2.13) видно, что чем меньше высота центра масс тракто­ ра Ицм и высота точки опоры груза Нт, тем больше предельный угол крена и выше устойчивость трактора.

3. Л ЕС Н О Й К О Л ЕС Н Ы Й Т РЕХ О С Н Ы Й ТРА КТО Р М ТЗ-82Л

КЛАССА ТЯГИ 14 кН С Ш А РН И РН О Й РАМ ОЙ

3.1. Устройство лесного колесного трактора М ТЗ-82Л Лесной колесный трехосный трактор МТЗ-82 Л для трелевки леса (рис.

3.1) состоит из одноосного моторного модуля трактора М ТЗ-80/82 и ак­ тивного полуприцепа. Активный полуприцеп в свою очередь состоит из рамы и установленной на ней балансирной четырехколесной тележки от автогрейдера со всеми ведущими колесами.

Рис. 3.1. Трелевочный трехосный трактор МТЗ-82Л с шарнирной рамой (конструкция кафедры ПСЛМ ЛТА им. С.М.Кирова) Рама трактора состоит из двух полурам, соединенных между собой при помощи универсального шарнира и имеющего две степени свободы.

На раме установлены манипулятор и кониковое зажимное устройство.

В конструкцию базового трактора внесены следующие изменения:

установлено ограждение кабины, топливные баки перемещены в более удобное место, сидение оператора сделано полноповоротным, снято руле­ вое управление и передние колеса. Задняя тележка автогрейдера использо­ вана без изменений.

Область применения трактора - несплошные рубки в лесной и лесо­ степной зонах на сухих и временно переувлажненных почвах, а также при глубине снежного покрова до 0,5 м и температуре воздуха в пределах от -30°С до +30°С.

Производительность машины по чистому времени работы при расстоянии трелевки 150...300 м и объеме хлыста 0,13...0,22 м составляет не менее 6,3 м3/ч.

Производственные испытания трактора на рубках ухода показали, что при проведении работ на прореживании производительность увеличивает­ ся в 1,2 раза, а на проходных рубках - в 1,4...1,5 раза.

ш арнира трактора Рама трактора МТЗ-82Л состоит из двух полурам - передней и задней, соединенных между собой шарниром, позволяющим осуществлять пово­ рот полурам относительно друг друга в двух плоскостях - в горизонталь­ ной и вертикальной (поперечной).

Центральный универсальный шарнир (рис. 3.2) состоит из плиты 1 с вилками 2, внутренней трубы 4 с вилкой 5 и наружной трубы 6 с запрессо­ ванными в нее подшипниками скольжения 7.

Плита 1 в верхней части крепится через угольники 3 к картеру заднего моста трактора МТЗ-82, а внизу - к передней полураме активного полу­ прицепа. Вилки 2 плиты 1 соединяются с вилкой 5 внутренней трубы двумя вертикальными пальцами 9. Внутренняя труба 4 поворачивается в подшипниках 7 наружной трубы 6, которая соединяется пластинами 8 с задней полурамой активного полуприцепа. Перемещение трубы 4 в осевом направлении относительно трубы 6 ограничивается фланцем 10, который крепится болтами 11 к торцу трубы 4.

Рис. 3.2. Центральный универсальный шарнир активного полуприцепа в сборе:

1 - плита; 2 - вилка плиты; 3 - угольник; 4 - внутренняя труба; 5 - вилка внутрен­ ней трубы; 6 - наружная труба; 7 - подшипник; 8 - пластина; 9 - вертикальный палец;

10 - фланец; 11- болт 3.3. Технологическое оборудование лесного На задней полураме трактора можно устанавливать различное техно­ логическое оборудование:

- манипулятор и кониковое зажимное устройство (КЗУ) для трелевки леса от рубок ухода (рис. 3.3, а);

- манипулятор и коники для транспортировки сортиментов длиной 6, 5, - манипулятор, КЗУ и валочно-срезающая головка со срезающим устройством ножевого типа конструкции кафедры ПСЛМ для прове­ дения рубок ухода;

- манипулятор и устройство для вертикальной разделки деревьев при проведении работ под пологом леса;

- манипулятор, кузов и оригинальный захват для погрузки круглой тары (бочек с живицей) и транспортировки потребителю.

Рис. 3.3. Лесные колесные тракторы МТЗ-82Л с оборудованием для бесчокерной трелевки деревьев (а) и сбора и транспортировки сортиментов (б) Трактор МТЗ-82Л прошел испытания в реальных производственных условиях (рис. 3.4). Рельеф местности характеризовался подъемами с уклоном до +30° и спусками до -25°, а также равнинными участками с большим количеством пней. Испытания проводились на супесчаных и су­ глинистых грунтах при температуре окружающего воздуха от +10°С до +20°С.

Рис. 3.4. Экспериментальные исследования трелевочного трактора МТЗ-82Л в производственных условиях (Карельская АССР, Петрозаводский мехлесхоз). Во время испытаний трактора на бесчокерной трелевке леса от рубок ухода замерялись моменты сопротивления колес переднего ведущего моста и изгибающий момент в поперечной плоскости рукавов переднего ведущего моста При испытаниях трактор МТЗ-82Л осуществлял трелевку и погрузоч­ но-разгрузочные работы. Длина хлыстов составляла 20...25 м. Объем хлыстов составлял от 0,3 до 0,9 м 3, объем пачки - 6,5...8,5 м 3. Трелевка хлы­ стов производилась по технологическим коридорам шириной 2,5...3,0 м, а также по лесным дорогам с плотным покрытием.

Тип трактора

Марка базового трактора

Класс тяги

Технологическое оборудование

Габаритные размеры, м: длинах ширинах высота............8,10х 2,4бх 3, База трактора, м

Дорожный просвет, м

Масса, кг (без груза)

Грузоподъемность, Н

Скорость движения (расчетная), м/с

Тяговое усилие, Н

Тип

Марка

Мощность, кВт (л.с.)

Топливо

Колесная формула

Тип

Размер шин переднего моста

Давление в шинах переднего моста, МПа

Размер шин заднего моста

Давление в шинах заднего моста, МПа

Допускаемая нагрузка на одну шину переднего моста, Н............. Допускаемая нагрузка на одну шину заднего моста, Н................. Манипулятор

Кониковое зажимное устройство

Рама

Угол поворота полурам (влево и вправо)

3.4. Исследование компоновки лесного колесного Обобщенная принципиальная расчетная схема сил и моментов, дей­ ствующих на корпус трактора МТЗ-82Л, двигающегося на подъем с пачкой леса (хлыстов или деревьев с кроной), представлена на рис. 3.5.

Для упрощения данного расчетного случая при исследовании компо­ новки трактора в учебных целях принимаем следующие допущения:

1. Нагрузки на две задние опоры равны между собой.

2. Реакция Z2 приложена симметрично осям задних опор в т. 2.

3. За базу трактора Ьтпринимается расстояние между точками 1 и 2.

4. Движение трактора установившееся (Рдин=0; скорость ит= const, а ускорение х = 0). Ускорения, возникающие при разгоне (трогании с места) или торможении, в данном случае отсутствуют, т.е. х = 0. Скорость движе­ ния трактора с грузом считаем постоянной, ит= const.

5. Радиус гдк передних и задних колес имеет одинаковое значение.

Рис. 3.5. Расчетная схема сил и моментов, действующих на корпус На расчетной схеме (рис. 3.5) приняты следующие обозначения:

Ок - сила тяжести корпуса трактора (без колес), Н; N - вертикальная тех­ нологическая нагрузка от силы тяжести пачки деревьев (при трелевке ком­ лем вперед N ^ ^ G ^ s a ), Н; Т - горизонтальная технологическая нагрузка от сопротивления волочащейся части пачки деревьев (при трелевке комлем вперед сила тяжести волочащейся части пачки составляет 0,4 Gn), Н; Gn сила тяжести пачки деревьев, Н; 1, 2 - точки опор переднего моста и зад­ ней тандемной тележки трактора, соответственно; Z1 - нормальная сум­ марная реакция на две опоры переднего моста корпуса трактора от ходо­ вой системы, Н; Z2 - нормальная суммарная реакция на четыре опоры зад­ ней тандемной тележки трактора от ходовой системы, Н; Gj^ sina - проек­ ция силы тяжести Gj^ на ось Х; Gj^ ^ s a - проекция силы тяжести Gj^ на ось Z; a - угол уклона пути, град.; Р к1, Р к2 - касательные силы тяги на перед­ нем ведущем мосту и задней тележке трактора, соответственно, Н; S 1, S2 силы сопротивления качению передних и задних колес трактора, соответ­ ственно, Н; Мр1, М р2 - реактивные моменты переднего ведущего моста и задней тандемной тележки трактора, соответственно, Н-м; ит - скорость движения трактора, м/с; Р дин - динамическая сила трактора, возникающая при трогании с места и торможении, а также в случае неустановившегося движения ( х ^0; ит^ const), Н; - плечо силы N относительно опоры трактора, м; О - центр масс трактора; ацм - продольная координата центра масс трактора; Иц - высота центра масс трактора, м; Ьт- база трактора, м; Нт- высота точки опоры груза, м; гдк - динамический радиус колеса, м.

Для проведения анализа компоновки трактора необходимо определить горизонтальную ацм и вертикальную Ицм координаты центра его масс.

Расчетная схема для определения координат центра масс ЛКТ МТЗ-82Л (без груза, при а=0) представлена на рис. 3.6. На изображенной расчетной схеме положение центра масс трактора определяется горизон­ тальной координатой ацм (/2=ацм) и вертикальной - кцм; /цм - расстояние от центра масс до оси Z; /0 - расстояние от опоры переднего моста до оси Z.

Машина Рис. 3.6. Расчетная схема для определения положения центра масс трелевочных тракторов МТЗ-82Л и Т-150КЛ (без груза) Координаты центра масс определяются графоаналитическим методом, при котором выражение горизонтальной координаты /цм относительно оси Z имеет вид где mi - масса каждого узла, кг; /i - координата центра масс каждого узла трактора по оси X; т т - масса трактора, кг.

Вертикальная координата кцм определяется из выражения где hi - координата центра масс каждого узла трактора по оси Z.

Радиус инерции трактора где pi - радиус инерции каждого узла трактора, м.

Относительно оси переднего моста трактора расстояние /1 = /цм - /о.

Тогда горизонтальная координата центра масс относительно оси заднего моста равна Данные для расчета положения центра масс и радиуса инерции треле­ вочного трактора МТЗ-82Л сведены в табл. П1.1 и табл. П1.2 приложе­ ния 1.

Из табл. П1.1 по формуле (3.1) находим горизонтальную координату центра масс трактора /цм относительно оси Z Расстояние от опоры переднего моста трактора МТЗ-82Л до оси Z со­ ставляет /о = 2,185 м, база трактора Li- = 4,10 м. Соответственно, согласно (3.4) получаем горизонтальную координату центра масс относительно зад­ него моста Далее из табл. П1.1 определяем значение р. Это делается делением суммарной величины, полученной в графе 7, на массу трактора (3.3), т.е.

Следовательно, радиус инерции р будет равен По данным табл. П1.2 определяем вертикальную координату центра масс hyM используя формулу (3.2). Получаем Итак, для трехосного трелевочного трактора МТЗ-82Л координаты центра масс имеют следующие значения: ацм= 1,93 м; hm = 1,30 м.

3.4.4. Вывод зависим ост ей для определения Итак, как уже указывалось, рассматриваем установившееся движение (Рдан = 0). При этом ит= const и х = 0. При установившемся движении общая касательная сила тяги Р к равна сумме всех сил сопротивления EPr (см. рис.

3.5) где P f - сила сопротивления движению трактора с грузом, Н, где От - сила тяжести трактора, Н, где О6кол - сила тяжести всех колес трактора, Н; f - коэффициент трения качения ( f = 0,12).

Так как Р к = ZPr, то касательная сила тяги Р к определится из выраже­ ния Реактивные моменты на ведущих колесах трактора определятся из вы ­ ражения Учитывая выражение касательной силы тяги Р к (3.7), выражение для определения реактивных моментов будет выглядеть следующим образом Для определения реакции Z 1 составим уравнение моментов относи­ тельно точки 2 (см. рис. 3.5):

Z1 Lт + Ок sin a ( h ^ - Гда) - Ок cos a • ацм - N-aN + T h - Гдк) + Мр1 + Мр2 = 0.

Отсюда получим Уравнение равновесия сил по оси Z :

Для проведения дальнейших вычислений необходимо определить зна­ чения технологических сил N и Т.

Расчетная схема для определения технологических сил N и Т пред­ ставлена на рис. 3.7.

На расчетной схеме приняты следующие обозначения:

Nn и Тп - технологические силы, действующие на комлевую часть пачки леса, в случае ее подвеса в точке А, Н; N и Т - технологические силы, дей­ ствующие на корпус трактора от пачки леса, лежащ ей на конике трактора, Н; Lx - длина пачки леса, м; /х - расстояние от вершины (т. В) до центра масс пачки леса, м; т. О - центр массы пачки леса; Р - угол наклона оси пачки леса к поверхности пути, град; Р тр - сила трения волочащейся части пачки леса, Н.

Для проведения расчетов примем ряд следующих допущений:

1) Угол Р имеет небольшие значения, поэтому принимаем угол Р«0, соответственно, ось пачки леса (хлыстов или деревьев с кроной) п а­ раллельна пути;

2) Реакция грунта на часть пачки леса, волочащейся по земле, перпен­ 3) Сила трения Р тр волочащейся части пачки деревьев и реакция грунта Rz на эту часть пачки леса приложены в центре пятна контакта крон деревьев с грунтом, и для упрощения схемы приведены к точке В 4) Движение трактора принимается установившееся (ит= const и X = 0).

Проведем силовой анализ схемы Отсюда реакция грунта После преобразований сумма проекций всех сил на ось Х примет вид Далее определим технологические силы N и T, принимая Итак, мы вывели зависимости (3.11), (3.12) для определения реак­ ций Z 1 и Z2, действующих на корпус трактора (без учета сил тяжести ко­ лес), а также определили составляющие технологических сил N и Т, дей­ ствующих на трактор при трелевке пачки леса.

Зная силу тяжести одного колеса переднего моста G-g и задней тан­ демной тележки Gg|j трактора, найдем далее давления под колесами тракполн ^полн.

Отсюда, с учетом выражений реакций Z 1 и Z2 по (3.11), (3.12) и техно­ логических сил N и Т по (3.15), (3.16), для определения давлений под коле­ сами ZПoлни Z 2олн получаем окончательно следующие выражения:

Исходные данные для проведения исследования нагруженности ходо­ вой части трелевочного трактора МТЗ-82Л приведены в табл. 3.1.

Значения параметров трелевочного трактора МТЗ-82Л И - вертикальная координата Оп - сила тяжести пачки леса 6 G -ё - сила тяжести одного перед­ Г - динамический радиус колес В - ширина колеи трактора Lx - длина пачки леса 12 /х - расстояние от вершины до 15 / к - коэффициент трения качения 17 И - вертикальная координата Ширина колеи трактора В определяется регулировкой колеи ведущих колес переднего активного модуля. Конструкция передних ведущих колес позволяет бесступенчато из­ менять колею в пределах от 1400 до 1600 мм, а с перестановкой колес - от 1800 до мм (табл. 3.2), за счет использования мощности двигателя. Устройство для изменения колеи представляет собой винтовое соединение, в котором обод 2 (рис. 3.8) в сборе с винтовыми планками 1, приваренными к его внутренней поверхности, выполняют роль гайки, а диск 7 с устройством для крепления его к ободу - роль винта [5].

Установка колеи колёс переднего активного модуля трактора МТЗ-82Л Диапазон и способ регулирования 1400-1600 бесступенчато 1800-2100 бесступен­ Расстояние «а» от торца полуоси до торца ступицы колеса (см. рис.

3.8), мм Рис. 3.8. Ведущее колесо переднего активного модуля трактора МТЗ-82Л: 1 - вин­ товая планка; 2 - обод; 3 - прижим; 4,8 - гайки; 5 - болт прижима; 6 - кронштейн; 7 диск; 9 - упорный винт; 10 - ограничительный упор; 11 - фиксатор И сп ол ьзуя данны е табл. 3.1, п о ф орм улам (3.2 0 ), (3.2 1 ) вы числяю тся давления п о д п ер ед н и м и и задн и м и к олесам и трактора Z ™ ™, Z ™ ™. Р а с­ четы давления п о д колесам и п рои зводятся для различны х углов ук лон а п у ­ ния к оэф ф и ц и ен та н ер ав н ом ер н ости р асп р едел ен и я давлений на грун т К н согл асн о (2.1 1 ), зан осятся в табл. 3.3. Затем строятся графики и зм ен ен и я Z]юлии Z 2 олн(рис. 3.9). П р ов оди тся анализ н агр уж ен н ости х о д о в о й ч асти и даю тся р ек ом ен дац и и п о ком пон овк е трелев оч н ого трактора.

С уч етом р асч етн ой вертикальной координаты цен тра м асс трактора Ицм п о ф ор м ул е (2.1 3 ) оп р едел я ется предельн ы й у го л крена Л К Т у пр при дв и ж ен и и с грузом. Для ч его вначале рассчиты вается вертикальная т е х н о ­ логическая н агрузка N п о ф ор м ул е (3.1 5 ) с у ч етом (3.1 7 ) при угле ук лон а м улам (1.6 )-(1.1 2 ) оп р едел яю тся ср е д н ее и м аксим альное давл ен и е к о л ес­ ны х дв и ж и тел ей на почву, а такж е м аксим альное н орм альное нап ряж ен и е в п очве < (кП а) на гл уби н е h = 0,5 м для к аж дого еди н и ч н о го движ ителя.

П арам етры ш ин, и сп ол ьзуем ы х на П Т М М Т З -8 2 Л, указаны в табл. 3.4.

Результаты расчетов сравниваю тся с дан н ы м и табл. 1.4 и дается оценка соответстви я х о д о в о й систем ы к о л есн о й п о гр у зо ч н о -тр а н сп о р т н о й маш ины (П Т М ) н орм и руем ы м лесов одст вен н ы м требован иям.

Результаты расчета значений технологических сил и давления под колесами Рис. 3.9. Графики изменения технологических сил N, T, касательной силы Рк и си­ лы трения F^ (а), Z1 0 и Z2п0лн (б) и Кн (в) в зависимости от угла уклона пути а, при движении трелевочного трактора МТЗ-82Л с грузом (п = 6,5 м3) Параметры шин, используемых на ПТМ МТЗ-82Л Обозна­ чение компоновки трелевочного трактора Определение и использование дискретного аргумента. Дискретным называется аргумент, принимающий ряд значений, отделяемых одинако­ выми шагами. Чтобы определить дискретный аргумент, введите имя пере­ менной, сопровождаемое двоеточием и диапазоном значений. В нашем случае для ввода исходных данных для расчета горизонтальной и верти­ кальной координат центра масс и радиуса инерции трелевочного трактора переменная i принимает значения от 1 до 36 - по количеству узлов и меха­ низмов указанных в табл. П1.1 и П1.2. Введите i и затем нажмите клавишу двоеточия ( : ) для режима работы клавиатуры «английский [США]». П у­ стое поле указывает, что M athcad ожидает определение для i. В этот мо­ мент M athcad не знает, будет ли i обычной переменной или дискретным аргументом. Введите 1, 2 и затем нажмите клавишу точки с запятой ( ; ), это сообщает Mathcad, что определяется дискретный аргумент. Mathcad показывает точку с запятой как две точки.., что означает диапазон значе­ ний с шагом A i = 1. Завершите определение дискретного аргумента, введя значение ограничивающее диапазон - 36:

Если в выраж ении используется дискретный аргумент, M athcad вы­ числяет выражение один раз для каждого значения дискретного аргумен­ та. Это правило мы будем использовать не только для организации таблиц ввода исходных данных, но и для определения давления под передними и задними колесами трактора для различных углов уклона пути а в диапа­ зоне от -30° до +30° с шагом 5°.

Определение координат центра масс ПТМ МТЗ-82Л Ввод знака = после выражения с дискретными переменными создает таблицу ввода. Чтобы ввести данные из табл. П1.1 и П1.2 определите дис­ кретный аргумент ( i ), затем введите следующие выражения для mi, li, (р 2 )i и hi, используя символ определения:

Для ввода числовых значений в поля таблицы используйте клавишу запятой, например, для значений mi: 985.0, 340.0, 580.0, 100.0, 45.0, и т.д.

Распределите выражения по длине командной строки, как показано ниже для первых пяти строк таблицы ввода данных (всего строк - 36):

Вода системы охлаждения Для создания текстовой области установите курсор в том месте, где предполагается размещение области, выберите из меню системы В стави ть строку Т ек сто в ая О бласть. M athcad создаст текстовую область, крестооб­ разный курсор преобразуется в маркер ввода и появится текстовая рамка.

Когда ввод текстовых пояснений закончен, щелкните вне текстовой обла­ сти и текстовая рамка исчезнет. M athcad игнорирует текст при выполнении вычислений. Рамку с текстом можно перемещать в любое место рабочего поля, выделив ее нажатием левой клавиши мыши и удерживая ее нажатой при перемещении.

Промежуточные вычисления в табл. П1.1 и П1.2 выполняются по сле­ дующим выражениям (операция умножения - клавиша. [*]):

М асса трактора и массы приходящиеся на переднюю и заднюю оси определяются из выражений:

Далее листинг программы выглядит следующим образом:

Горизонтальная координата центра масс трактора, относительно оси Z, м:

Расстояние от опоры переднего моста трактора МТЗ-82Л до оси Z составляет ^ := 2. Горизонтальная координата центра масс трактора, относительно заднего моста, м:

Радиус инерции трелёвочного трактора МТЗ-82Л, м:

Вертикальная координата центра масс трактора, м:

Определение давлений под передними и задними колесами треле­ вочного трактора МТЗ-82Л в зависимости от угла наклона пути Перед составлением основных расчетных формул (3.6)-(3.19) в про­ грамму необходимо ввести исходные данные из табл. 3.1.:

Значения параметров трелёвочного трактора МТЗ-82Л:

1. Сила тяжести корпуса трактора (без учета груза и колес), Н: Gg := 2. Сила тяжести трактора (без учета груза, но с учетом колес), Н: Go := 3. Сила тяжести пачки деревьев (хлыстов), объёмом Vп = 6,5 м3, Н Gj := 5. Сила тяжести одного заднего колеса 9-20", Н:

6. Ширина колеи трактора, м:

7. Динамический радиус колес (приведенный), м:

8. Длина пачки (n = 13 шт; Уд = 0,5 м3) деревьев (хлыстов), м:

9. Расстояние от вершины до центра масс пачки деревьев, м: l ~ := 12 - 10. Коэффициент n = 1х/^, при трелёвке комлем вперед:

11. Коэффициент трения волочащейся части пачки о грунт: fj := 0. 13. Плечо действия технологической силы N, м:

14. Вертикальная координата точки приложения технологической силы N, м: h^ := 15. Параметры шин, используемых на ПТМ МТЗ-82Л:

высота профиля шины, м:

статический радиус, м:

предельная нагруженность шины, Н:

Для различных углов уклона пути а в диапазоне от -3 0 ° до +30° с ш а­ гом 5° опять используем дискретный аргумент, что позволит организовать таблицу вывода данных. В табл. 3.3 приведен пример оформления резуль­ татов расчета значений технологических сил и давления под колесами для Vn = 6,5 м. Для ввода значений угла наклона в градусах используется встроенная единица измерений deg на которую надо умножить а. По умолчанию углы измеряются в радианах (rad). Переносить длинное мате­ матическое выражение на следующую строку можно используя комбина­ цию клавиш [Ctrl] + [Enter], но выполнить перенос можно только на опе­ рации сложения (перед знаком +). Для ввода нижних индексов использует­ ся соответствующая кнопка (x2) в строке меню системы Mathcad, или кла­ виша клавиатуры с нижней точкой (действует при «английском» раскладе клавиатуры) для более ранних версий.

а :——30,—25.. Изменение значений технологических сил от угла наклона пути, Н:

Изменение значений силы трения крон деревьев о грунт от угла наклона пути, Н:

Изменение касательной силы тяги трелевочного трактора МТЗ-82Л, Н:

Изменение нормальной суммарной реакции на две опоры переднего моста корпуса тракто­ ра от ходовой системы, Н:

Изменение нормальной суммарной реакции на две опоры задней тандемной тележки трак­ тора от ходовой системы, Н:

Изменение давления под колёсами трелёвочного трактора МТЗ-82Л, Н:

Коэффициент неравномерности давлений на грунт:

Предельный угол крена трелёвочного трактора МТЗ-82Л при движении с грузом, при a := 0 град.:

Полученные в табл. 3.3 результаты нагляднее всего представить в виде графических зависимостей. В качестве примера, на рис. 3.9 представлены графики изменения технологических сил N, T, касательной силы Рк и силы трения F ^ (а), Zj™™ и Z2nonH (б) и Кн (в) в зависимости от угла уклона пути а, при движении трелевочного трактора М ТЗ-82Л с грузом (Уп = 6,5 м ).

Для создания графика в M athcad нужно указать мышью на том сво­ бодном месте, где его удобно разместить, и выбрать пункт Г р аф и к X-Y из подменю Г р аф и к и системного меню В стави ть. Появится пустой график с полям и вв ода для вы раж ений, отобр аж аем ы х п о осям графика. В п ол е в в о ­ вертикальной оси вводятся через запятую вы раж ения N ( a ),T ( a ) и др., с о ­ дер ж ащ и е ди ск р етн ую п ер ем ен н у ю, ук азан н ую для гори зон тал ьн ой оси.

Оценка соответствия ходовой системы колесной погрузочно транспортной машины (ПТМ) МТЗ-82Л нормируемым лесоводственным требованиям, при трелевке пачки деревьев ^ п = 6,5 м3) Определение максимального давления на почву колесного движите­ ля по ГОСТ 26953- приведенный радиус шины, м:

длина контактного отпечатка колеса, м:

среднее давление колесного движителя на почву, кПа, при силе веса, приходящейся на одно колесо, Н:

G e i = 2.1369X 104 Н qn51 = 133.855 кПа G e2 = 2.2738X 104 Н qflg2 = 398.623 кПа максимальное давление колесного движителя на почву, кПа:

Определение максимального нормального напряжения в почве на глубине h = 0,5 м по ГОСТ 26954- В соответствии с ГОСТ 26954-86 определяем максимальное нормальное напряжение в почве на глубине h := 0.5 м для каждого единичного движителя:

для движителя переднего моста с шиной 16,9R38:

a h i := 0.637qnar для движителя тандемной тележки с шиной 9,00-20:

Определение сил, действующих на корпус трелевочного трактора, и исследования его компоновки проводятся при варьировании следующих параметров: рейсовая нагруз­ ка Vn (G^; ширина колеи В; предельная нагруженность Qш одной или двух шин (по осям); давление в шине р ш плечо аN действия силы N; вертикальная координата И точ­ ки приложения сил N и Т; способ трелевки - за комли (n = 0,6) или за вершины (n = 0,3).

На основании результатов исследований в выводах о качестве компоновки трак­ тора необходимо осветить следующие вопросы:

1. Максимальная нагруженность передних и задних шин.

2. Соответствие нагрузок на шины допускаемым (см. приложение 3). Ограничения по заданной нагрузке на рейс. Например, на рис. 3.9, б максимально допускаемые нагрузки на шины переднего моста соответствуют линии уровня 2 - Q0j, а на шины тандемной тележки - 4 - Q02. Из графиков видно, что при использовании на ПТМ МТЗЛ сельскохозяйственных шин 16,9^38 и 9,00-20, при трелевке пачек объемом свыше 6,0 м3 не обеспечивается грузоподъемность тандемной тележки и безопасный режим движения с грузом.

3. Оценка качества компоновки трактора по коэффициенту неравномерности рас­ пределения давлений движителей на грунт.

4. Оценка поперечной устойчивости трактора.

5. Рекомендации для успешной работы без ограничений по нагрузке на рейс. Сле­ дует рассмотреть возможность использования на ПТМ специальных широкопрофиль­ ных шин (см. табл. 1.5).

3.5. И сследование к о м п он овк и колесн ой п огрузочн о-тран сп ортн ой На рис. 3.10 представлен лесной колесный трехосный трактор - форвардер, выполненный на базе трактора МТЗ-82 класса тяги 14 кН. Трактор изготовлен сотрудниками кафедры проектирования специальных лесных машин в экспериментальных мастерских Лесотехнической академии.

Рис. 3.10. Лесной колесный трехосный трактор с шарнирной рамой МТЗ-82Л для транспортировки сортиментов (конструкция кафедры ПСЛМ ЛТА им. С.М. Кирова) Принципиальная расчетная схема сил и моментов, действующих на корпус трехосного колесного лесного трактора с шарнирной рамой МТЗ-82Л, двигающегося на подъем с пакетом сортиментов изображена на рис. 3.11.

Для упрощения расчетного случая при исследовании компоновки трактора - форвардера в учебных целях принимаем следующие допущения:

1. Нагрузки на две задние опоры равны между собой.

2. Реакция Z2 приложена симметрично осям задних опор в т. 2.

3. За базу трактора Ьтпринимается расстояние между точками 1 и 2.

4. Движение трактора установившееся (Р дин= 0; скорость ит= const, а ускорение х = 0). Ускорения, возникающие при разгоне (трогании с места) или торможении, в данном случае отсутствуют, т.е. х = 0. Скорость дви­ жения трактора с грузом считаем постоянной, ит= const.

5. Радиус гдк передних и задних колес имеет одинаковое значение.

Рис. 3.11. Расчетная схема сил и моментов, действующих на корпус трехосного трактора МТЗ-82Л при транспортировке сортиментов На расчетной схеме (рис. 3.11) приняты следующие обозначения:

GK- сила тяжести корпуса трактора (без колес), Н; N - вертикальная тех­ нологическая нагрузка от силы тяжести пакета сортиментов (N=GпCOsa), Н; Gn - сила тяжести пакета сортиментов, Н; 1, 2 - точки опор переднего моста и задней тандемной тележки трактора, соответственно; Z 1 - нор­ мальная суммарная реакция на две опоры переднего моста корпуса тракто­ ра от ходовой системы, Н; Z2 - нормальная суммарная реакция на четыре опоры задней тандемной тележки трактора от ходовой системы, Н; Gj^ sina - проекция силы тяжести Gj^ на ось Х; Gu ^ s a - проекция силы тяжести Gj^ на ось Z; a - угол уклона пути, град.; Р к1, Рк2 - касательные силы тяги на переднем ведущем мосту и задней тележке трактора, соответственно, Н;

S 1, S2 - силы сопротивления качению передних и задних колес трактора, соответственно, Н; М р1, М р2 - реактивные моменты переднего ведущего моста и задней тележки трактора, соответственно, Н-м; ит - скорость дви­ жения трактора, м/с; Р дин - динамическая сила трактора, возникающая при трогании с места и торможении, а также в случае неустановившегося дви­ жения ( х ^0; ит^ const), Н; - плечо силы N относительно опоры 2 трак­ тора, м; О - центр масс трактора; ацм - продольная координата центра масс трактора; Ицм - высота центра масс трактора, м; Ьт- база трактора, м; Итвысота точки опоры груза, м; r№ - динамический радиус колеса, м.

Для проведения анализа компоновки трактора необходимо определить горизонтальную ацм и вертикальную Ицм координаты центра его масс.

Расчетная схема для определения координат центра масс ЛКТ МТЗЛ - форвардера (без груза, при a= 0) представлена на рис. 3.12. Исходные данные для расчета положения центра масс и радиуса инерции тракто­ ра MT3-82JI - форвардера сведены в табл. П1.3 и табл. П1.4 приложения 1.

Машина Рис. 3.12. Расчетная схема для определения положения центра Из табл. П1.3 по формуле (3.1) находим горизонтальную координату центра масс трактора /цм относительно оси Z Расстояние от опоры переднего моста трактора М Т З-82Л до оси Z со­ ставляет /о = 2,185 м, база трактора Ьт= 4,10 м. Соответственно, согласно (3.4) получаем горизонтальную координату центра масс относительно зад­ него моста Далее из табл. П1.3 определяем значение р. Это делается делением суммарной величины, полученной в графе 7, на массу трактора (3.3), т.е.

Следовательно, радиус инерции р будет равен Из табл. П1.4 определяем вертикальную координату центра масс кцж, используя формулу (3.2). Получаем Итак, для трактора М ТЗ-82Л - форвардера координаты центра масс имеют следующие значения: ацм= 1,93 м; Ицм = 1,30 м.

3.5.3. Вывод зависим остей для определ ения Для проведения расчетов принимается установившееся движение трактора (ит= const, х = 0) и следовательно, динамическая составляющая Р дин тягового баланса трактора равна нулю (Рдин = т тх ).

Касательная сила тяги Рк при установившемся движении равна сумме всех сил сопротивления SPR (см. рис. 3.11) где P f - сила сопротивления качению трактора с грузом, Н.

Силу сопротивления движению трактора c грузом можно записать в следующем виде где GT- сила тяжести трактора, Н, G6km - сила тяжести всех колес трактора, Н; f - коэффициент трения ка­ чения ( f = 0,12).

Технологическая сила N в выражении (3.23) возникает от силы тяж е­ сти пакета сортиментов и с учетом угла уклона пути a определяется сле­ дующим выражением Так как Р к = XFr, запишем на основании (3.22) с учетом (3.23) и (3.24) выражение касательной силы тяги Р к в виде Реактивные моменты на ведущих колесах трактора определятся из вы ­ ражения Так как общая касательная сила тяги Р к = Р к1 + Р к2, то После подстановки в последнее уравнение выражения (3.25) для Р к, получим Для определения реакции Z1 составим уравнение моментов относи­ тельно точки 2 (см. рис. 3.11): ЪМ21 = 0;

П ол н ое давл ен и е на грунт склады вается из величины реакции на к ор ­ п ус трактора и силы тяж ести колес. Д авлен и е на грунт р аздел ьн о от п е р е д ­ н и х и за д н и х к ол ес трактора о п р едел я ется согл асн о вы раж ениям (3.1 8 ), (3.1 9 ).

О кончательно для оп р едел ен и я Z™™ и Z П°лн, с уч етом силы тяж ести к олес и вы раж ений (3.2 4 ), (3.2 8 ), (3.2 9 ), п олуч аем сл ед у ю щ и е вы ражения:

личаю тся, - сила тяж ести п ер ед н его к ол еса G | ё, за д н его к ол еса - oj^..

вой части трактора М Т З -8 2 Л - ф ор вар дера п риведены в табл. 3.5.

И сп ол ьзуя данны е табл. 3.5, п о ф орм улам (3.3 0 ), (3.3 1 ) вы числяю тся давления п о д п ер ед н и м и и задн и м и к олесам и трактора Z ™ ™, Z П°лн. Р а с­ четы давления п о д колесам и п рои зводятся для различны х углов ук лон а п у ­ Значения параметров трактора МТЗ-82Л - форвардера И - вертикальная координата Gп - сила тяжести пакета сортимен­ Ggg - сила тяжести одного перед­ 11 / к - коэффициент трения качения 13 И - вертикальная координата Ширина колеи трактора В регулируется (см. рис. 3.8).

ния к оэф ф и ц и ен та н ер ав н ом ер н ости р асп р едел ен и я давлен и й на грунт К н согл асн о (2.1 1 ), зан осятся в табл. 3.6. Затем строятся графики и зм ен ен и я ZПoш и Z и даю тся р ек ом ен дац и и п о ком пон овк е сорти м ен товоза.

И м ея расч етн ое зн ач ен и е вертикальной координаты цен тра м асс трак ­ тора кцм, оп р едел я ем п о ф ор м ул е (2.1 3 ) п редельны й угол крена Л К Т упр при дв и ж ен и и с грузом. П ри этом при н им ается вертикальная т ех н о л о г и ч е­ ская нагрузка N = Gn (угол ук лон а пути а = 0 ° ).

М етод и к а составлен и я програм м ы для и ссл едов ан и я к ом поновки см отр ен а в § 3.4.8. В п рограм м е н е о б х о д и м о использовать вы раж ения для составл яю щ и х техн ол оги ч еск ой силы N (3.2 4 ) и T = Gn sin а, силы с о п р о ­ тивления дв и ж ен и ю П Т М с гр узом (3.2 3 ) и касательной силы тяги (3.2 5 ).

Используя значения Z™™ и Z ™лн при угле уклона пути а=0° по фор­ мулам (1.6)-(1.12) определяются среднее и максимальное давление колес­ ных движителей на почву, а также максимальное нормальное напряжение в почве cjfo (кПа) на глубине h = 0,5 м для каждого единичного движителя.

Параметры шин, используемых на ПТМ МТЗ-82Л, указаны в табл. 3.4.

Результаты расчетов сравниваются с данными табл. 1.4 и дается оценка соответствия ходовой системы колесной погрузочно-транспортной машины (ПТМ) нормируемым лесоводственным требованиям.

Результаты расчета значений технологических сил и давления под колесами _ ПТМ-форвардера МТЗ-82Л (Уп = 6,5 м3) укло­ Определение сил, действующих на корпус сортиментовоза МТЗ-82Л, и исследо­ вания его компоновки проводятся при варьировании следующих параметров: рейсовая нагрузка п (G^); ширина колеи В; предельная нагруженность Qш одной или двух шин (по осям); давление в шине р ш плечо aN действия силы N; вертикальная координата h точки приложения силы N.

На основании результатов исследований в выводах о качестве компоновки ПТМ необходимо осветить следующие вопросы: