Лесотранспортные машины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

КАФЕДРА ЛЕСНЫХ МАШИН И ТЕХНОЛОГИИ ЛЕСОЗАГОТОВОК

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

 

 

 

 

ПО  ДИСЦИПЛИНЕ:

 

«лесотранспортные машины»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент ф-та ТТЛП

специальности ТЛ

3-го курса

Мацур М.В.

 

Проверил: Лой В.Н.

 

 

 

 

Минск 2007

 

 
Реферат

 

В данной курсовой работе описывается назначение проектируемой машины, производится выбор двигателя. Определяется мощность двигателя, его основные размеры и строится внешняя скоростная характеристика. Производится выбор основных узлов и передаточных чисел силовой передачи проектируемой машины. Выбирается сцепление, коробка передач, раздаточная коробка, карданная передача, главная передача, полуось, колесный редуктор, ходовая часть, механизм управления и тормоз. Строится графическая зависимость тяговой и динамической характеристик машины. По графической зависимости производится анализ тяговых свойств машины. Рассчитывается сменная и годовая производительность лесовозного автомобиля.

Графическая часть включает чертеж формата А1, который состоит из скоростной характеристики двигателя, тягово-динамической характеристики машины и кинематической схемы трансмиссии.

 

  Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………..5

1. Назначение проектируемой машины и условия ее работы……………….6-7

2. Выбор двигателя………………………………………………………….....…8

2.1 Определение  мощности двигателя……………………………………….8-11

2.2. Определение основных  размеров двигателя…………………………..11-12

2.3. Построение внешней скоростной характеристики двигателя………..13-16

3. Выбор основных узлов и передаточных чисел

силовой передачи проектируемой машины………………………………..….17

3.1 Общие положения……………………………………………………......17-18

3.2 Выбор передаточных  чисел силовой передачи колесных  машин….....18-21

3.3. Сцепления…………………………………………………………….…......21

3.4. Коробки передач……………………………………………………........21-25

3.5. Раздаточные коробки………………………………………………..…..25-26

3.6. Карданные передачи……………………………………………………..…26

3.7. Главные передачи……………………………………………………..….....27

3.8. Полуоси и колесные  редукторы…………………………………………...27

3.9. Ходовая часть………………………………………………………….…....28

3.10. Механизмы управления………………………………………….….....28-29

3.11. Тормоза………………………………………………………………....29-30

4. Тяговая и динамическая характеристики проектируемой машины... …...31

4.1. Построение характеристик……………………………………………...31-37

4.2. Анализ тяговых свойств  машины………………………………………37-39

5. Определение производительности проектируемой машины…   ……… ...40

5.1. Общие указания…………………………………………………............... ..40

5.2. Расчет сменной  производительности лесовозного  автомобиля……...40-41

5.3. Расчет годовой  производительности………………………………………41

Заключение…………………………………………………………………...…..42

Литература………………………………………………………………………..43

 

 

 

Введение.

 

           Лесными машинами называют применяемые в лесной промышленности машины для подвозки и вывозки леса. Лесные машины служат базой для множества лесосечных, дорожно-строительных и других машин, используемых в лесной промышленности.

Условия эксплуатации лесных машин сложнее и многообразнее, чем, например, тракторов и автомобилей различного назначения. Свойства трелевочного волока, дорожных усов и веток, таксационные показатели древостоя, атмосферно-климатические и производственные условия изменяются в широком диапазоне и довольно часто. Стохастический характер распределения древостоя в зависимости от рельефа местности и свойств лесных почв усложняет задачу систематизации условий эксплуатации лесных машин и их исследование. Лесная машина состоит из сложных систем и механизмов, включающих большое количество масс со многими степенями свободы и связями. Характерные особенности взаимодействия лесной машины с предметом труда приводят к возникновению весьма сложных процессов в ее механизмах и в контакте движителя с опорной поверхностью, которые влияют на эксплуатационные свойства и эффективность применения этих машин. Для повышения технического уровня машин и грамотного их использования необходимо иметь представление о законах, положенных в основу функционирования отдельных систем механизмов и машин в целом.

Лесными машинами называются применяемые в лесной промышленности машины для подвозки и вывозки леса. Лесные машины служат базой для большого семейства лесосечных, дорожно-строительных и других машин, используемых в лесной промышленности.

Транспорт леса является составной, наиболее энергоемкой частью производственного процесса лесозаготовительного производства и включает подвозку (трелевку) и вывозку деревьев (хлыстов, сортиментов). Для трелевки применяются трелевочные тракторы, а для вывозки - лесовозные автомобили.

Именно проектирование лесовозного автомобиля и будет  рассмотрено в данной курсовой работе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Назначение лесовозного автопоезда и условия его 

эксплуатации

 

Основные назначения лесовозного автопоезда – это транспортировка деревьев, хлыстов или сортиментов на большие расстояния. При этом для вывозки лесоматериалов в виде деревьев или хлыстов лесовозный тягач работает в сцепке с прицепом-роспуском, а в случае сортиментной вывозки с прицепом или полуприцепом. 

Как правило, лесовозный автопоезд используется в дорожных условиях различной сложности. Часть  пути он может проезжать по дорогам  общего пользования. Остальная же часть приходится на лесные дороги (усы, ветки), которые отличаются от первых более сложными дорожными условиями. Кроме того, эти условия довольно изменчивы под влиянием целого ряда факторов. Так, физико-механические свойства грунта существенно зависят от погодных условий (температуры, влажности). Переувлажнение грунта, например, может привести к снижению его несущей способности, что в свою очередь может затруднить движение автопоезда (полное или частичное буксование). Обледенение поверхности грунта может вызвать потерю управляемости. 

Рельеф местности, сложность  трасы в плане макронеровности оказывают интенсивное вредное воздействие на элементы ходовой части автопоезда, вызывают резкие изменения им сопротивления движению, что сказывается на работе двигателя.

В связи с указанными выше особенностями работы большое  значение приобретает следующие требования:

– высокая надёжность и топливная экономичность;

– хорошие динамические свойства и приспособляемость к  неустановившимся режимам работы;

– быстрый и надёжный запуск двигателя при низких температурах окружающего воздуха;

– необходимы тягово-степные и скоростные свойства, обеспечивающие эффективную работу в тяжёлых условиях эксплуатации;

– высокая проходимость и устойчивость;

– экологическая совместимость  системы «машина - лесная среда».

В лесной промышленности для транспортировки  древесины обычно используются автомобили и седельные тягачи, образующие вместе с прицепным и полуприцепным составом автопоезда средней и большой грузоподъёмности полной массой до 50–70 т. Как правило, это автомобили повышенной проходимости с колесной формулой 4´4, 6´6 и 6´4.

 

 

 

 

 

 

Компоновочная схема лесовозного  автопоезда представлена на рис. 1.1.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.1. Компоновочная  схема лесовозного автопоезда МАЗ-5434

 

Технологическое оборудование лесовозных автопоездов включает устанавливаемую на тягаче раму с буксирной балкой; коники со стойками, размещаемые как на тягаче, так и на прицепе-роспуске; ограждение кабины; сцепные приборы и дышло; устройство для погрузки прицепа-роспуска на шасси тягача; лебедку (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Технологическое  оборудование лесовозного тягача:

1 – блок  лебедки; 2 – ограждение кабины; 3 – лебедка; 4 – рама лесовозного оборудования; 5 – коник; 6 – накатная площадка; 7 – буксирная балка.

 

Рама лесовозного оборудования закрепляется на раме тягача при помощи болтового соединения. К ней крепится ограждение кабины, в передней части рамы расположен настил из листовой стали. На раме расположена также опорная плита и гнездо шкворня коника. В задней части рамы устанавливается тяговая балка, к которой крепятся тросы крестообразной сцепки прицепа-роспуска. Накатные плоскости, служащие опорой для колес прицепа-роспуска при его погрузке на шасси тягача и транспортировке, соединены с рамой поперечными балками и кронштейнами. Буксирная рама, предназначенная для крепления и удержания погруженного прицепа роспуска от боковых смещений, соединяется с рамой шарнирно с помощью пальцев. Погрузка прицепа-роспуска осуществляется при помощи лебедки. Для направления троса лебедки на первой поперечине балки и под опорной плитой рамы расположены блоки. Коники представляют собой опорно-поворотные устройства, служащие для размещения и удержания пачки деревьев, передачи нагрузки на раму транспортной системы.

Гидроманипуляторы применяют  для погрузки хлыстов, деревьев или  сортиментов. Их устанавливают на раме тягача, как правило, за кабиной водителя, в транспортном положении стрела и рукоять с захватом закрепляются в специальных гнездах.

Привод манипулятора может  быть механическим, электрическим, гидравлическим или комбинированным. В настоящее время наибольшее распространение получил гидравлический привод манипуляторов.

Манипуляторы, используемые в лесном машиностроении, включают следующие основные элементы: основание  с механизмом поворота, стрелу, рукоять, захват и гидросистему управления. Для погрузки древесины применяются в основном захваты челюстного и грейферного типов, имеющие, как правило, поворотное устройство (поворот до 300°).

Грейферные захваты  для погрузки сортиментов характеризуются  малой и средней рабочей площадью (0,35–0,5 м²). Для погрузки хлыстов и деревьев применяют захваты с упорами, которые позволяют удерживать лесоматериалы в горизонтальном положении и производить их точную укладку.

Подвижным составом называются несамоходные транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов с помощью тяговых машин. На подвижном составе перевозят древесину в виде сортиментов, хлыстов или деревьев с кронами.

Автомобиль или специальный  тягач, осуществляющий перевозку грузов с использованием подвижного (прицепного) состава, образует автопоезд. В качестве подвижного состава могут использоваться прицепы, полуприцепы и прицепы-роспуски.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор двигателя

 

 

2.1.  Определение мощности двигателя

 

Возможность применения на транспортной машине двигателя того или иного типа определяется ее весовыми, тяговыми, скоростными и эксплуатационными показателями.

Мощность двигателя  (кВт) лесной машины, выполняющей транспортные операции, определяется по формуле:

где - касательная сила тяги на ведущих органах тягача, необходимая для преодоления сил сопротивления движению лесотранспортной системы, Н;

- скорость движения машины, км/ч;

- механический КПД трансмиссии, ;

- коэффициент, учитывающий потери  на ведущем участке гусеницы, для колесных машин  .

Касательная сила тяги (Н) определяется из уравнения тягового баланса:

P_к=ΣР_сопр=P_f±P_i±P_j+P_w+P_кр,

 

где ΣР_сопр - суммарная сила сопротивлению движению, Н;

, , , - силы тяги, затрачиваемые на преодоление сопротивления качению, уклону, инерции, воздуху, Н;

- крюковая сила тяги, Н.

В нашем случае мощность определяем для режима установившегося  движения (j=0) на подъеме, тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывозка с прицепом-роспуском:

 

G_а = G_м+ G_пр+ Q_гр

 

G_а =80 + 39,57+ 152 = 271,57 кН.

 

Вес прицепа-роспуска 2-ПП-18  выбирается из приложения 5 по величине потребной грузоподъемности.

где G_м – вес машины, Н;

Q_гр – рейсовая нагрузка, Н;

G_пр – вес прицепа-роспуска, кг (G_пр = 3957 кг);

f₁ – коэффициент сопротивления качению тягача (0,017 – 0,027);

 –  уклон дороги (волока) (0,12);

k_B – коэффициент обтекаемости (k_B = 0,7 – 0,9);

F – лобовая поверхность машины, м² (F = 7,5 – 8,5 м²).

Эксплуатация лесотранспортных машин происходит в сложных условиях, когда касательная сила тяги и скорость изменяются в широких пределах из-за резкого колебания коэффициентов сопротивления движению, состава, размера и веса транспортируемых пачек. Поэтому мощность двигателя определяется для трех характерных режимов движения в соответствии с табл. 2.1, а для последующих расчетов принимается наибольшая из них.

Таблица 2.1

Условие для определения  мощности двигателя

 

Вариант	f		i	Va	Pk	Ne
1	мин.	0,017	0	60	6,4	125,49
2	сред.	0,022	0,024	40	13,3	173,82
3	макс.	0,027	0,012	4	39,9	52,16

 

При условии, что вес проектируемой машины равен G_м = 80000 Н, Q_гр= 19 м³, i = 0,12 , f₁ = 0,017– 0,027,а скорости движения: V_xx = 60км/ч, V_px=40км/ч без груза и в грузовом направлении соответственно, то:

 

1) Для первого варианта условий определения мощности двигателя (табл. 2.1):

Касательная сила тяги:

P_k1=271570∙(0,017+0)+ 0,8∙8∙60²/13=6389 Н.

Мощность двигателя:

N_e1=6400∙60/3600∙0,83=125,49 кВт.

2) Для второго варианта условий определения мощности двигателя:

Касательная сила тяги:

P_k2=271570∙(0,022+0,024)+ 0,8∙8∙40²/13=13279 Н.

Мощность двигателя:

N_e2=13300∙40/3600∙0,83=173,82Вт.

 

3) Для третьего варианта условий  определения мощности двигателя:

Касательная сила тяги:

P_k3=271570∙(0,027+0,12)+ 0,8∙8∙60²/13=13279,9 Н;

Мощность двигателя:

N_e3=6400∙60/3600∙0,83=136,6  кВт.

 

Удельная мощность:

N_уд = N_e/G,

где N_е – максимальная расчетная мощность двигателя, кВт;

G – масса тягача без груза, т.

N_уд = 173,82/8,0=21,7 кВт/т.

Исходя из полученных результатов выбираем в качестве прототипа двигатель марки ЯМЗ-236БЕ2 мощностью 175,4 кВт.

 

Краткая техническая  характеристика двигателя ЯМЗ-236НЕ2

 

Таблица 2.2

Мощность  Ne, кВт	Частота nе, об/мин	Число и расположение цилиндров	Диаметр цилиндра d, мм	Ход S, мм	Рабочий объем Vh, см3	Степень сжатия, e	Масса G, кг	Расход топлива gen, г/кВт∙ч	коэф-т а	коэф-т b
175,4	2000	6 V	130	140	11150	16,5	885	227	0,916	1,084

 

 

2.2. Определение основных размеров  двигателя

 

На выбор  основных размеров двигателя оказывает  влияние целый ряд показателей:

- число тактов рабочего цикла. Современные автомобильные и тракторные двигатели четырехтактные.

- число цилиндров. В настоящее время наибольшее применение получили двигатели с числом цилиндров у грузовых автомобилей – 6, 8 и 12. В качестве прототипа – шестицилиндровый двигатель ЯМЗ-236БЕ2.

- частота вращения коленчатого вала. Для двигателей лесотранспортных машин наиболее характерные частоты вращения коленчатого вала п (об/мин), соответствующие номинальной мощности равны от 1600 до 2400 об/мин, что соответствует выбранному двигателю с номинальной частотой 2000 об/мин.

- среднее эффективное давление. При определении основных размеров двигателя среднее эффективное давление находят на основании теплового расчета. В курсовом проекте его назначают по аналогии с данными существующего двигателя-прототипа, подобного проектируемому по типу, конструкции и параметрам.

Значения среднего эффективного давление р, (МПа), соответствующего максимальной мощности при полной нагрузке, составляют от 0,75 до 1 у двигателя с наддува.

- отношение хода поршня S  к диаметру цилиндра d (Ψ = S/d). Из теории двигателей известно, что понижение Ψ  за счет уменьшения хода поршня дает ряд преимуществ и считается целесообразным. У современных автомобильных двигателей оно соответствует наиболее характерным значениям 1 – 1,08.

Диаметр цилиндра d (мм) определяется по следующей формуле:

 

где τ – число тактов рабочего цикла;

р_е – среднее эффективное давление, МПа (р_е = 0,75 – 1 МПа);

ψ – отношение хода поршня к диаметру цилиндра (Ψ = S/d = 140/130 =1,08);

i – число цилиндров (табл. 2.2);

n – частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин (табл. 2.2).

Значения  τ, ψ, i и n выбираются по серийному двигателю, взятому в качестве прототипа.

В проекте также необходимо вычислить и оценить следующие основные параметры двигателя:

– литровая мощность (кВт/л):

 

где – рабочий объем одного цилиндра:

– удельная масса двигателя (кг/кВт):

где – сухая масса двигателя, кг; (табл. 2.2);

– средняя скорость поршня (м/с):

 

где – ход поршня, м.

 

 

2.3. Построение внешней скоростной  характеристики двигателя

 

Нагрузочные и  скоростные режимы лесотранспортных машин  изменяются в широких пределах. Поэтому при оценке динамических и экономических свойств их двигателей представляют интерес эффективная мощность и соответствующие ей параметры при различных нагрузках и частотах вращения коленчатого вала.

Зависимость эффективной  мощности N_e (кВт), крутящего момента M_e (кН∙м), часового G_T (кг/ч) и удельного эффективного g_e (г/кВт∙ч) расходов топлива от частоты вращения коленчатого вала п (об/мин) называется скоростной характеристикой двигателя. Выполняем скоростную характеристику двигателя, в соответствии с требованиями ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний».

Внешняя скоростная характеристика двигателя с некоторым  приближением может быть построена по эмпирическим формулам.

Мощность двигателя  рассчитывается следующим образом:

,

где N_e – номинальная мощность двигателя, кВт;

п – текущее значение частоты вращения коленчатого вала двигателя, об/мин;

n_eh – частота вращения коленчатого вала двигателя, соответствующая номинальной мощности, об/мин;

а и b – постоянные коэффициенты двигателя (табл. 2.2).

        Удельный эффективный расход топлива определяется по формуле:

 ,

где g_eh – удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности, г/кВт∙ч;

c_T = d_T = 1,55, е_T = 1,0 – постоянные коэффициенты скоростной характеристики.              

        Часовой расход топлива G_T и крутящий момент двигателя М_е определяются по следующим формулам:

;

.

Скоростная  характеристика двигателя строится не менее чем для семи различных  значений частоты вращения коленчатого  вала двигателя п в диапазоне

n = (0,5 – 1,0)∙n_eн

Результаты  расчетов приведены в таблице 2.3.

 

 

Зависимости эффективных параметров двигателя от частоты

вращения  коленчатого вала

 

Таблица 2.3

Частоты вращения коленчатого вала n, об/мин	Эффективная мощность Ne, кВт	Крутящий момент Me , Н∙м	Часовой расход GT , кг/ч	Удельный эффективный расход ge , г/кВт∙ч
1000	105,9	1011	24,64	232,68
1167	123,5	1019	27,64	223,82
1337	140,1	1001	30,44	217,24
1501	153,5	977	33,07	215,42
1667	164,5	943	35,55	216,10
1833	172,1	897	37,86	219,96
2000	175,4	838	39,82	227,10

 

 

 

3. Выбор основных узлов и передаточных чисел силовой

передачи лесовозного автопоезда

 

 

3.1. Общие положения

 

Система деталей и узлов, передающая энергию двигателя ведущим  колесам (звездочкам) и другим рабочим органам машин, называется трансмиссией. Назначение трансмиссии заключается также в изменении частоты вращения ведущих органов машин и подводимого к ним момента в заданных пределах по величине и направлению.

Основные требования к  трансмиссии лесотранспортных машин:

- плавное изменение крутящего момента в интервале рабочих скоростей движения;

- простота конструкции  агрегатов и надежность в эксплуатации;

- дешевизна  изготовления, малый вес и небольшие  габариты;

- легкость и  удобство управления;

- экономичность  работы двигателя в широком  интервале изменения оборотов.

Рис. 3.1. Компоновочная схема механической силовой передачи (колесная формула 4х4): 1 – двигатель; 2 – сцепление; 3 – коробка передач; 4 – карданная передача; 5 – задний ведущий мост; 6 – передний ведущий мост.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Выбор передаточных чисел силовой передачи проектируемой 

машины

 

Общее передаточное число трансмиссии на низшей (первой) передаче k₁^Д должно обеспечить движение машины в самых трудных условиях с грузом. Значение k₁^Д определяется из условия преодоления груженой машиной максимальных дорожных сопротивлений:

  ,

где – максимальная касательная сила тяги, принимается по данным расчета, проведенного в п. 2.1;

R – динамический радиус колеса;

 – КПД трансмиссии.

Для нахождения динамического  радиуса колеса необходимо вычислить нагрузку на одно колесо (шину) машины Z_к (кН):

,

где n_ш – число колес (шин) машины.

По нагрузке на колесо подбирается  шина соответствующего размера и вычисляется динамический радиус колеса R (м) по формуле

,

где Н – высота профиля шины, дюйм;

d – диаметр обода колеса, дюйм (1 дюйм = 25,4 мм);

 – коэффициент деформации шины, равный 0,93 – 0,97.

Рис. 3.2. Основные геометрические параметры автомобильных  и тракторных шин:

В - ширина профиля; Н - высота профиля; d — посадочный диаметр;

b — расстояние между бортовыми закраинами;  D - наружный диаметр.

 

Значения  максимальной касательной  силы тяги = 39930 Н (п.2.1), номинального крутящего момента М_ен=838 Н∙м (табл. 2.3), наибольшей скорости движения = 60 км/ч, вес машины G_м=80 кН, Q₁ = 76 кН

Тогда нагрузка на одно колесо равна:

Z_k =(80+76)/6=26 кН;

Подбираем шину обычного профиля, размерностью 10,00R20 (280R508). Ее основные параметры:  диаметр D = 1052 мм, ширина профиля В = 275 мм, статический радиус равен 488 мм.

      Тогда динамический радиус колеса равен:

R = (2·10,7+20)·0,0254·0,97/2=0,51 м;

      Зная динамический радиус, можем определить k₁^Д: