Моделирование рабочих процессов дорожных машин

Моделирование рабочих процессов дорожных машин

Министерство по образованию и науки РФ

Иркутский государственный технический университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ

Лабораторный практикум

(электронный вариант)

2012

Лабораторная работа №1

Математическая модель взаимодействия скребкового рабочего органа цепного траншейного экскаватора с грунтом

Цель работы - исследовать процесс взаимодействия скребкового рабочего органа цепного траншейного экскаватора с грунтом.

Задачи:

. Используя теоретические предпосылки, составить математическую модель взаимодействия скребкового рабочего органа траншейного экскаватора с грунтом.

. Построить графики зависимости усилия копания и его составляющих от скорости цепи, скорости подачи и угла установки рабочего органа.

. Оценить влияние отдельных параметров процесса на усилие копания и его составляющие.

Теоретические предпосылки.

Цепные траншейные экскаваторы представляют собой высокопроизводительные землеройные машины, которые по сравнению с универсальными одноковшовыми экскаваторами имеют более высокую производительность и качество выполняемых работ, возможность автоматизации рабочего процесса, менее опасны в природоохранном отношении.

Изучением взаимодействия рабочих органов цепных траншейных экскаваторов с грунтом занимались многие исследователи, среди которых наиболее известны имена Руднева В.К, Гарбузова З.Е., Родина И.И., Джангуляна Э.А. и др.

Практически все авторы сходятся в мнении о том, что процесс взаимодействия скребкового рабочего органа с грунтом складывается из процессов резания и заполнения межскребкового пространства, транспортировки срезанного грунта на дневную поверхность, формирования грунтового отвала.

Расчетная схема взаимодействия скребкового рабочего органа с грунтом, учитывающая указанные положения, представлена на рис. 1.

Представленная расчетная схема может быть описана следующими уравнениями:

где: А - длина рабочего органа, м;

а - расстояние от точки крепления рабочего органа до поверхности грунта, м;

β - угол наклона траектории движения скребков к горизонту, рад;

Vl - скорость цепи, м/с;- скорость подачи, м/с;

Н - глубина копания, м;

В - ширина траншеи, м;расстояние между скребками, м;

ρ - плотность грунта, кг/м3;

γ - угол между поверхностью забоя и направлением силы резания, рад;

μ2 - коэффициент трения грунта о грунт;

μ1 - коэффициент трения скребка о грунт;- длина забоя, м;

а - угол наклона рабочего органа к вертикали, рад;- толщина стружки, м;

К - коэффициент разрыхления;коэффициент сопротивления грунта транспортированию;- ускорение свободного падения, м\с2;- коэффициент удельного сопротивления резанию, Па;

е - длина транспортирования, м;

Р01 - касательная составляющая силы резания, Н;

Р02 - нормальная составляющая силы резания, Н;

Р0З - сила сопротивления резанию грунта, Н;

Р0 - собственное сопротивление рабочего органа, Н;

Р1 - проекция силы резания грунта и заполнения межскребкового пространства на траекторию движения цепи рабочего органа, Н;

Р2- сила сопротивления транспортированию срезанного грунта на дневную поверхность, Н;

Р3 - сила трения рабочего органа о забой, Н;

Р4 - сила сопротивления формированию грунтового отвала, Н;

Р - общее усилие копания, Н.

При составлении математической модели были приняты следующие допущения:

собственное сопротивление рабочего органа не зависит от скорости движения цепи;

рассматривается установившийся режим работы агрегата.

При заданной ширине отрываемой траншеи входными параметрами модели являются: скорость цепи (V1), скорость подачи (V2) и угол установки рабочего органа (α). Выходом служит усилие копания (Р) и его отдельные составляющие.

Порядок выполнения работы.

. Используя техническую характеристику прототипа, подготовить исходные данные для моделирования.

. Построить график зависимости усилия копания и его составляющих от скорости цепи.

.1. На заставке компьютера установить курсор на значке «Mahtcad-2001», щелкнув мышью, открыть программу.

.2. При помощи клавиатуры на рабочем поле программы нанести исходные данные, математическую модель взаимодействия скребкового рабочего органа с грунтом и пределы изменения скорости цепи (см. рис. 2). В пределах изменения скорости цепи первая цифра означает начало интервала изменения, вторая - шаг, третья - конец интервала. Между второй и третьей цифрой - знак «троеточие» (на латинской транскрипции клавиатуры - ;).

.3. При помощи палетки «Палитра графиков» вывести на экран «Декартов график» с двумя маркерами.

.4. На месте маркера по оси абсцисс записать независимую переменную «V1», по оси ординат - функции Р(V1), Р0(V1), Р1(V1), Р2(V1), Р3(V1), Р4(V1) через запятую.

.5. Вывести курсор из поля графика и щелкнуть мышью. Программа ведет обработку и строит графики.

Аналогично построить другие графические зависимости, предварительно заменив в модели независимую переменную.

. Выполнить анализ полученных зависимостей.

Контрольные вопросы

1.  Какие зависимости изображены на 3-х графиках? Назовите каждую из них.

2.      Почему с увеличением скорости цепи (V1) все составляющие (кроме Р0) и суммарное усилие копания уменьшаются?

.        От чего зависит собственное сопротивление рабочего органа (Р0)?

.        Почему с увеличением скорости подачи (V2) все составляющие (кроме Р0) и суммарное усилие копания увеличиваются?

.        Почему с увеличением угла установки рабочего органа (α) все составляющие (кроме Р0) и суммарное усилие копания уменьшаются нелинейно?

Лабораторная работа №2

Цель работы - изучить основные параметры и характеристики гидрообъемной трансмиссии.

Задачи:

. Используя теоретические предпосылки, составить математическую модель гидрообъемной трансмиссии.

. Построить графики:

зависимости давления в напорной магистрали (р) от рабочего объема гидромотора (q);

крутящего момента гидронасоса (M2) от параметра регулирования (f);

угловой скорости гидромотора (w2) от рабочего объема гидромотора (q).

. Оценить влияние отдельных параметров элементов на выходные характеристики трансмиссии.

Теоретические предпосылки

На строительно-дорожных машинах применяются различные типы трансмиссий: механические, гидравлические, электрические.

Гидравлические, в частности, гидрообъемные трансмиссии по сравнению с другими типами имеют следующие преимущества:

бесступенчатое регулирование скорости в широких пределах и ее реверсирование;

возможность получения больших передаточных отношений при сравнительно небольших весе и габаритах оборудования;

независимая компоновка агрегатов трансмиссии;

надежное предохранение системы от перегрузок;

возможность автоматизации рабочего процесса.

Основными агрегатами гидрообъемной трансмиссии являются насос, двигатель, регулирующая и предохранительная аппаратура. В виду того, что у траншейных экскаваторов преобладающим является установившийся режим работы, в расчетной схеме регулирующая и предохранительная аппаратура не показана.

На рис. 1 представлена расчетная схема гидрообъемной трансмиссии.

Представленная расчетная схема может быть описана следующими уравнениями:

где р - давление в напорной магистрали, Па;

М1 - крутящий момент на гидромоторе, Нм;- рабочий объем гидромотора, м3\рад;

М2 - крутящий момент на гидронасосе, Нм;- рабочий объем гидронасоса, м3\рад;- параметр регулирования;

w2 - угловая скорость гидромотора, p/c;

w1- угловая скорость гидронасоса, p/c.

Порядок выполнения работы

. По наибольшему усилию копания (лабораторная работа №1) при скорости цепи V1=0,5 м/с определить максимальный крутящий момент на валу гидромотора, предварительно задавшись диаметром приводной звездочки рабочего органа.

. По максимальному крутящему моменту подобрать высокомоментный гидромотор типа МР. Зная рабочий объем (q), номинальные угловую скорость (w2) и давление (р), определить мощность гидромотора:

. По мощности гидромотора выбрать гидронасос типа 207, указав его рабочий объем (Q), номинальные угловую скорость (wl) и давление (р).

. Подготовить математическую модель гидрообъемной трансмиссии.

. Построить графики зависимости:

давления в напорной магистрали (р) от рабочего объема гидромотора (q);

крутящего момента гидронасоса (М2) от параметра регулирования (f);

угловой скорости гидромотора (w2) от рабочего объема гидромотора (q).

. Оценить влияние отдельных параметров элементов на выходные характеристики гидрообъемной трансмиссии.

Контрольные вопросы

1.      Какие зависимости представлены на графиках? Назовите их.

2.      Что называется рабочим объемом гидромотора (гидронасоса)? В каких единицах измеряется?

.        Почему при постоянной нагрузке с увеличением рабочего объема гидромотора давление в напорной магистрали уменьшается?

.        При каком давлении будет работать выбранный гидромотор?

.        Что такое «параметр регулирования f»? Каким образом происходит регулирование подачи в аксиально-поршневых машинах?

.        Почему между параметром регулирования и крутящим моментом на гидронасосе существует прямопропорциональная зависимость?

.        Почему при постоянной нагрузке с увеличением рабочего объема гидромотора его угловая скорость уменьшается по гиперболической зависимости?

.        С какой угловой скоростью будет вращаться выбранный гидромотор?

Лабораторная работа №3

Математическая модель двигателя внутреннего сгорания

Цель работы - изучить основные характеристики двигателя внутреннего сгорания.

Задачи:

. Используя теоретические предпосылки, составить математическую модель дизельного двигателя.

. Построить график зависимости крутящего момента от угловой скорости коленчатого вала.

Теоретические предпосылки

В настоящее время на строительных и дорожных машинах широкое распространение получили дизельные двигатели, отличающиеся высокой экономичностью и приспособленностью к длительной работе в режиме номинальной мощности.

Основной характеристикой дизеля является зависимость крутящего момента от угловой скорости коленчатого вала (внешняя скоростная характеристика).

Приведенная зависимость существенно нелинейна, однако, с достаточной

степенью точности может быть описана кусочно-линейной функцией:

где: M(w) - крутящий момент на коленчатом валу, Нм;

w - текущее значение угловой скорости коленчатого вала, р/с;

а1 и а2 - угловые коэффициенты линий 1 и 2 соответственно;

b1 и b2 - свободные члены.

Порядок выполнения работы

. По прототипу определить мощность двигателя базовой машины и выбрать наиболее близкий отечественный (табл. 1).

. По табл. 1 определить значения номинальной угловой скорости коленчатого вала (w2) и номинального крутящего момента (М2) внешней скоростной характеристики выбранного двигателя.

3.      Построить внешнюю скоростную характеристику, учитывая, что:

 р/с

Продолжение табл. 1

4.      Аппроксимировать внешнюю скоростную характеристику двумя прямыми линиями 1 и 2, составив уравнения:

для линии 1

для линии 2

5.      Решая системы двух уравнений с двумя неизвестными, найти численные значения коэффициентов а1 и b1, а2 и b2.

6.      Построить зависимость крутящего момента от угловой скорости коленчатого вала в среде «Mahtcad-2001» (рис. 2).

Контрольные вопросы

1. Покажите характерные участки внешней скоростной характеристики и назовите их.

2.      Какой точке внешней скоростной характеристики соответствуют номинальное значение угловой скорости коленчатого вала?

.        Найдите мощность, которую развивает ДВС в точке «перелома» характеристики?

.        Докажите, что это точка максимальной мощности двигателя.

Лабораторная работа №4

траншейный экскаватор трансмиссия двигатель

Математическая модель движителя СДМ

Цель работы - изучить процесс взаимодействия движителей СДМ с опорной поверхностью.

Задачи:

1.      Используя теоретические предпосылки, составить математическую модель взаимодействия движителей СДМ с опорной поверхностью.

2. Построить графики зависимости коэффициента буксования от силы для пневиоколесного и гусеничного движителей.

Теоретические предпосылки.

Строительные и дорожные машины, как правило, снабжаются движителями 2-х типов: гусеничным или пневмоколесным.

Гусеничные движители обладают сравнительно небольшим удельным давлением на грунт и высоким коэффициентом сцепления. Поэтому машины на гусеничном ходу обладают хорошими тягово-сцепными свойствами и высокой проходимостью. Гусеничным движителем снабжаются тяжелые специализированные машины, предназначенные для работы в условиях бездорожья.

Машины на пневмоходу, по сравнению с гусеничными, гораздо легче и могут перемещаться по дорогам с твердым покрытием. Поэтому пневмоколесный движитель применяют на мобильных универсальных машинах, предназначенных для выполнения небольшого объема рассредоточенных работ.

Для оценки тягово-сцепных свойств движителя используется кривая буксования, которая показывает зависимость буксования движителя от силы тяги:

%

где: А, В, n - эмпирические коэффициенты, зависящие от типа движителя и свойств опорной поверхности;

Т - текущее значение силы тяги, Н;- сцепной вес машины, Н.

Значения эмпирических коэффициентов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения эмпирических коэффициентов

Порядок выполнения работы

. По прототипу определить сцепной вес траншейного экскаватора.

. Используя данные табл. 1,          построить зависимость коэффициента буксования от силы тяги для 2-х типов движителей (рис.1).

. Проанализировать полученный график.

Контрольные вопросы

1.      Какие зависимости представлены на графике? Назовите их.

2.      Используя функцию «трассировка», определите значение максимальной силы тяги по сцеплению для обоих типов движителя и сравните их.

.        Определите номинальную силу тяги для обоих типов движителя.

.        Почему гусеничный движитель имеет большую силу тяги?

.        Что называется коэффициентом сцепления движителя с грунтом?

.        Определите значения коэффициента сцепления для гусеничного и пневмоколесного движителей.

Лабораторная работа №5

Математическая модель цепного траншейного экскаватора со скребковым рабочим органом

Цель работы:

используя результаты предыдущих лабораторных работ, составить математическую модель цепного траншейного экскаватора;

получить зависимость производительности экскаватора от коэффициента распределения мощности в различных грунтовых условиях;

определить диапазон изменения оптимального коэффициента распределения мощности в зависимости от прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

Теоретические предпосылки

Цепные траншейные экскаваторы относятся к землеройным машинами с активным рабочим органом. Эго значит, что часть мощности двигателя базовой машины передается рабочему органу, минуя движитель. Разветвление силового потока приводит к проблеме выбора рационального нагружения траншейного экскаватора. Мощность на рабочем органе определяет возможность разработки более прочных грунтов или работу экскаватора с максимальной толщиной стружки. Мощность на движителе характеризует силу тяги и поступательную скорость, а, следовательно, производительность экскаватора. Поэтому в зависимости от прочностных свойств грунта существует оптимальное распределение мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем, при котором производительность экскаватора будет максимальной.

На рис. 1 приведена расчетная схема цепного траншейного экскаватора.

Представленная расчетная схема может быть описана следующей системой уравнений:

Vl и V2 - скорость цепи и скорость подачи соответственно, м/с;- толщина стружки, м;

а - угол наклона рабочего органа к вертикали, рад;и N2 - мощность привода рабочего органа и движителя соответственно, Вт;

К - коэффициент распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем.

Порядок выполнения работы

.Составить математическую модель цепного траншейного экскаватора, включающую в себя модели взаимодействия скребкового рабочего органа с грунтом, движителя, гидрообъемной трансмиссии и двигателя внутреннего сгорания (рис. 2).

.1. Всем постоянным присвоить исходные значения, а переменным ожидаемые средние значения.

.2. Ниже исходных данных записать слово «given», после которого - непосредственно математическую модель (систему уравнений), воспользовавшись вместо знака «присвоить» знаком «генеральное равняется».

.3. Ниже модели записать любую переменную из модели, знак «присвоить» и слово «find», после которого в скобках перечислить все переменные, входящие в систему уравнений.

.4. Ниже или правее строчки со словом «find» записать эту же переменную и знак «равняется». Если модель составлена верно, появится таблица с результатами вычислений переменных, указанных в скобках после слова «find».

. В исходных данных модели присвоить fl=l, меняя f2 от 0 до 1 и контролируя W, фиксировать значения К и V2.

. Используя полученные значения, построить зависимость производительности траншейного экскаватора от коэффициента распределения мощности для первой категории грунта.

. Изменив грунтовые условия (коэффициент сопротивления грунта копанию), повторить операцию и построить указанный график для второй и третьей категории грунта.

. Построить график зависимости максимальной производительности экскаватора от категории грунта.

. Выполнить анализ полученных зависимостей.

Контрольные вопросы

1.      Чем определяется рациональный режим работы экскаватора?

2.      Как изменяется коэффициент распределения мощности с увеличением прочности грунта и почему?

.        Как изменяется производительность экскаватора с увеличением прочности грунта?