Оценка возможностей привода железнодорожной тележки грунтово-железнодорожного транспортного средства типа МАЗ-547 от собственного двигателя



В статье осуществляется оценка возможностей грунтово-железнодорожного транспортного средства на базе шасси МАЗ-547по приводу железнодорожной тележки от собственного двигателя, приводится вариант осуществления привода на основе гидрообъемной трансмиссии и тяговые расчеты при движении по железной дороге.

Ключевые слова: грунтово-железнодорожное транспортное средство, привод железнодорожной тележки на основе гидрообъемной трансмиссии, тяговые расчеты.

Грунтово-железнодорожное транспортное средство (ГЖТС) — транспортное средство способное самостоятельно перемещаться как по обычным дорогам, так и по железнодорожным путям. В статье приводится оценка возможностей ГЖТС на базе шасси МАЗ-547 со смонтированным на нем краном грузоподъемностью 80 тонн по приводу железнодорожной тележки от собственного двигателя (рис.1).

Отбор мощности на привод специальных механизмов от ходового двигателя предусмотрен в конструкции шасси МA3–547. Отбор мощности производится от повышающей передачи шасси МA3–547, которая имеет вал отбора мощности, рассчитанный на поглощение практически всей мощности приводного двигателя.

Рис. 1. ГЖТС на базе шасси МАЗ-547 со смонтированным на нем краном грузоподъемностью 80 т

В повышающей передаче предусмотрена также возможность отключения основной гидромеханической передачи от двигателя, когда работает привод отбора мощности.

Таким образом, на шасси МA3–547 уже в ее конструкции предусмотрена возможность направления мощности приводного двигателя двумя независимыми потоками, либо на привод колес шасси, т. е. в трансмиссию, либо на привод других механизмов, в частности, на привод железнодорожной тележки ГЖТС, создаваемого на базе шассиМАЗ-547.

Задача состоит лишь в том, чтобы найти наиболее рациональный способ передачи мощности от вала отбора мощностина повышающей передаче к оси железнодорожной тележки.

В данном случае наиболее рациональным на наш взгляд является привод оси железнодорожной тележки с помощью гидростатической трансмиссии (ГСТ). Для этого необходимо заново спроектировать всего два новых элемента: это редуктор привода насосов ГСТ и редуктор привода оси железнодорожной тележки от гидромоторов ГСТ.

Кинематические схемы этих приводов и повышающей передачи шасси МA3–547 показаны на рис. 2 и рис. 3.

Рис. 2. Кинематическая схема отбора мощности двигателя ГЖТС на привод насосов ГСТ железнодорожной тележки

Используя их, произведем оценку возможностей отбора мощности напривод оси железнодорожной тележки.

По данным завода изготовителя у МA3–547 номинальная мощность двигателя составляет = 478 кВт при n _н = 2000 об/мин.

При этом потери мощности составляют:

– на выхлоп и всасывание — 38,3 кВт;

– на привод вентиляторов и компрессора — 25,8 кВт;

– потери мощности в повышающей передаче — 16,9 кВт;

– потери мощности на насосы ГМП и у силителя руля — 24,3 кВт.

Общие потери энергии в двигателе и повышающей передаче составляют N _пот =105,3 кВт.

Рис. 3. Кинематическая схема привода оси железнодорожной тележки ГЖТС от гидромоторов ГСТ

Мощность, направляемая к гидромеханической трансмиссии шасси соответственно составит .

При отборе мощности на привод оси железнодорожной тележки потери мощности в двигателе и повышающей передаче останутся теми же, т. к. насосы гидроусилителя руля и управления гидромеханической трансмиссии приводятся в действие от повышающей передачи. Отключается лишь главный вал повышающей передачи к ГМП.

Согласно схеме на рис.2 передаточное число повышающей передачи равно , и обороты насосного колеса гидротрансформатора ГМП составят

.

Передаточное число на вал отбора мощности составляет и обороты вала отбора мощности будут равны .

Исследуем теперь возможности гидростатической трансмиссии ГСТ

с использованием насосов и моторов от серийно выпускаемых для нужд сельскохозяйственной техники гидроприводов типа ГСТ-90.

В этом приводе используется регулируемый гидронасос и нерегулируемый гидромотор. Основные данные этих гидромашин следующие:

— удельный объем гидромашины	V уд =0,089 л/мин
— количество цилиндров	n ц =9 шт
— диаметр поршней	d = 20,6 мм
— диаметр разноски цилиндров	D ц =90 мм
— максимальные обороты	N max =2560 об/мин
— предельное макс. давление	P max =42 МПа
— давление настройки предохр. клапана	P настр =35 МПа
— номинальное давление	P ном =21 МПа
— угол наклона диска	Β=±18 0
— масса насоса	m н =80 кг
— масса мотора	m м =50 кг

Так как максимальные обороты приводного двигателя составляют n _emax =2100 об/мин, что в 1,05 раз выше номинальных, то номинальные обороты насоса при приводе от вала отбора мощности должны составлять не 2560 об/мин, а п _н =2438 об/мин.

Тогда потребное передаточное число редуктора привода насосов должно составить .

Этому условию удовлетворяет редуктор с центральной шестерней, имеющей 36 зубьев и ведущей шестерней с 24 зубьями, так что

.

Ориентировочно можно положить диаметр центральной шестерни 18 см и ведущей — 12 см. Тогда общая длина редуктора составит не более 45 см, а его ширина около 10 см.

На входе редуктор должен иметь муфту сцепления, которая будет включаться при отборе мощности, а при работе ГМТ шасси должна быть отключена.

По данным испытаний гидромашин этого типа объемные потери насосов и гидромоторов могут быть без ущерба для оценки возможностей для номинального режима Р _ном =21 МПа приняты одинаковыми и равными . Механический КПД насоса , а механический КПД мотора . Потери в редукторе привода насосов примем равными , а в колесной оси (редукторе) .

Оценим теперь возможности гидропривода при использовании двух насосов и четырех гидромоторов указанного типоразмера. Четыре гидромотора используются для расширения диапазона регулирования гидропередачи при постоянной мощности, т. к. регулировочных свойств только насосов за счет изменения давления от номинального Р _ном =21 МПа до максимального Р _настр =35 МПа не хватает и явно не покроет изменения сопротивления дороги (железнодорожного пути).

В этом случае мощность отбираемая приводом ГСТ от двигателя на номинальном режиме составит

.

Определим далее обороты моторов на номинальном режиме

.

Момент на моторах

Мощность, подводимая к оси железнодорожной тележки

.

Общие потери энергии в трансмиссии составят

.

Определим далее приведенный коэффициент трения железнодорожного колеса по рельсу с учетом трения в подшипниках ходовых тележек. При этом коэффициент трения качения чугунного колеса по стальному рельсу к = 0,003, коэффициент трения скольжения стальной буксы по бронзовому вкладышу f = 0,05, диаметр железнодорожного колеса D _к = 80 см, диаметр буксы с вкладышем d = 10 см. Тогда

.

В этом случае для равномерного движения динамический фактор должен быть равен коэффициенту сопротивления движению, т. е.

D _min = f _пр =0,006.

При полной массе шасси m ₀ =84000 кг максимальная скорость движения без учета сил сопротивления воздуха составит

.

Потребное передаточное число колесного редуктора железнодорожной тележки найдем по формуле

,

где r _к –радиус железнодорожного колеса в м.

Это передаточное число может быть получено в простом двухступенчатом редукторе (см. рис. 3) с приводом от четырех гидромоторов. На номинальном режиме (режим движения с максимальной скоростью при минимальном сопротивлении) работают два насоса и два мотора привода, при этом давление в системе Р _ном =21 МПа. Тяга на колесах может быть увеличена как за счет изменения давления в системе, так и за счет увеличения числа гидромоторов (подключение двух дополнительных).

За счет давления диапазон регулирования тяги составит

,

или за счет использования максимального (предельного) давления

.

За счет изменения объема гидромашин диапазон регулирования составит .

Общий диапазон регулирования гидропередачи составит

или

.

Это означает, что максимальный динамический фактор машины при трогании с места составит ∙ или

∙ .

Заметим, что D _max =0,02 соответствует минимальному динамическому фактору для шасси при движении по асфальтированному шоссе первой категории на пневматических колесах (D _min =0,02).

Так как привод железнодорожной тележки мы предлагаем осуществлять в одном месте, т. е. на одной оси, то необходимо проверить сцепные возможности одной оси. Так как полагается, что ГЖТС на базе шасси МАЗ-547 будет иметь две двухосные железнодорожные тележки, то тяга, реализуемая на одной оси должна быть в 4 раза больше, чем при приводе каждой оси. Если D _max =0,02 для шасси в целом, это будет означать что для одной оси нужно реализовать D _max =0,08, а максимальный коэффициент сцепления железнодорожного колеса с рельсом составляет . Для надежного сцепления необходимо выполнение неравенства . Поэтому условие нормального сцепления выполняется и нет необходимости привод колес осуществлять на нескольких осях.

Таким образом, на расчетном режиме при движении по железной дороге общие затраты энергии на нужды двигателя, систем управления и гидротрансмиссию составят

,

что немного больше 55 % номинальной мощности приводного двигателя, при этом скорость движения по железной дороге в 2,2 раза превышает максимальную скорость шасси по асфальтированной дороге при всей мощности двигателя.

Это означает, что по затратам энергии движение по железной дороге более чем в 4 раза эффективнее, чем движение по асфальтированному шоссе. Так как максимальный динамический фактор сравнительно невелик D _max =0,02, требуется оценить разгонные качества шасси при движении по железной дороге.

Для этого восстановим тяговую характеристику шасси при движении по железной дороге используя мощность .

Постоянная мощность во всем диапазоне регулирования обеспечивается постановкой на насосах трансмиссии регуляторов мощности. Потери на других режимах работы будем полагать такими же как и на номинальном. Для выполняемых оценок это не приведет к существенным погрешностям.

Зависимость при постоянной мощности определяется из условия . Эта зависимость показана на рис. 4.

Рис. 4. Динамическая характеристика привода ГСТ железнодорожной тележки ГЖТС

Если давление в системе ограничено значением ∆Р = 35 МПа, то до скорости V = 26,5 км/час мощность привода будет нарастать от нуля до максимальной N = 169 кВт и далее с ростом скорости будет сохранять значение 169 кВт вплоть до максимальной скорости.

Для определения времени и пути разгона до стандартной скорости V=60 км/час построим график обратных ускорений

. Сопротивление движению полагаем равным 𝜓 = 0,006.

Зависимость находим по формуле ,

где δ — коэффициент учета вращающихся масс принят 𝛿 = 1,0. Построенная по этой формуле зависимость показана на рис.5.

Элементарная площадь под графиком, как нетрудно убедиться, числен- но равна элементарному времени разгона от некоторой начальной, до некоторой конечной скорости. Эти элементарные времена нанесены на поле графика цифрами.

Используя данные графика рис. 5 строим график времени разгона до любой заданной скорости. Этот график показан на рис. 6.Из графика определяем, что для разгона шасси от нулевой скорости до 60 км/час потребное время разгона составит 220 сек.

Рис. 5. График обратных ускорений

Рис. 6. Графики времени и пути разгона ГЖТС по железнодорожному пути при приводе от ГСТ

В свою очередь замечаем, что элементарная площадь под графиком времени разгона есть элементарный путь разгона. Поэтому производя графическое интегрирование, получим зависимость которая показана на том же рис. 6.Из графика видно, что для достижения скорости V= 60 км/час шасси должно пройти путь S = 2500 км.

Для сравнения сопоставим разгонные качества ГЖС при его движении по железнодорожным путям с данными при движении по шоссе до скорости 42 км/час.

По графику рис. 6 время разгона составит t = 100 сек, а путь разгона S = 670 м.

По данным завода изготовителя для шасси МАЗ-547 время разгона до макс, скорости V = 42 км/час составляет t = 52 сек, а путь разгона S = 428 м.

Для шасси МАЗ-543 те же параметры будут иметь значения t = 16 сек, S= 140 м.

Сопоставляя эти данные можно утверждать, что разгонные качества ГЖТС при движении по железнодорожным путям являются вполне удовлетворительными.

В первом приближении можно оценить и характеристики массы привода, руководствуясь некоторыми заводскими данными и общей статистикой по гидрообъемным трансмиссиям. Эти оценки сводятся к следующему:

– масса редуктора привода насосов т _рр ≈ 50 кг;

– масса редуктора привода ж. д. оси т _кр ≈ 260 кг;

– масса насосов (2 шт) т _н ≈ 160 кг;

– масса гидромоторов (4 шт) т _м ≈ 200 кг;

– масса рабочей жидкости т _ж ≈ 110 кг;

– масса аппаратуры управления и бака т _упр ≈ 50 кг;

– масса трубопроводов т _тр ≈ 100 кг.

Общая масса привода составит т _гст ≈ 930 кг. Заметим, что масса гидромеханической трансмиссии шасси МАЗ-547 без учета колесных редукторов составляет т _гмп ≈ 4100 кг, а с учетом колесных агрегатов т _гмпс ≈ 6000 кг. Отсюда напрашивающийся вывод: гидромеханическая трансмиссия МАЗ-547 должна быть заменена на гидростатическую трансмиссию, что не только уменьшило бы массу шасси, но и значительно упростило ее компоновку.

Согласно только что приведенным расчетам для поглощения всей мощности приводного двигателя потребовалось бы не 2, а 4 насоса типа ГСТ-90 и 8 гидромоторов. И общая масса трансмиссии была бы где-то на уровне т _гст ≈ 3000 кг.

На основании результатов проведенной оценки привода оси железнодорожной тележки от ходового двигателя шасси можно сделать вывод не только о возможности, но и о необходимости осуществления такого привода.

Приведенные оценки дают возможность сформулировать основные требования к такому приводу. Эти требования формулируются ниже.

Основные технические требования к приводу оси железнодорожной тележки гжтс, осуществляемому от ходового двигателя базового шасси МАЗ- 547

1. Привод оси железнодорожной тележки предназначается только для автономного движения ГЖГС по железной дороге. При движении ГЖГС в составе поезда с локомотивом привод не используется.
2. Привод должен осуществляться только на одну из четырех железнодорожных осей ГЖГС, причем на самую близко расположенную к повышающей передаче базового шасси МАЗ-547.
3. Центры железнодорожных тележек должны располагаться в плоскости второй или первой управляемой оси базового шасси (передняя тележка) и в плоскости пятой оси (задняя тележка).
4. Привод оси должен осуществляться от гидростатической трансмиссии с использованием серийно выпускаемых гидромашин гидроприводов типа ГСТ-90 или других гидромашин с техническими характеристиками соответствующими мировым стандартам.
5. Oтбор мощности на гидронасосы привода должен осуществляться от вала отбора мощности на повышавшей передаче. От вала отбора мощности должен приводиться одноступенчатый цилиндрический редуктор, который должен иметь не менее двух выходных валов с возможностью подключения к каждому валу насоса. Редуктор должен иметь муфту включения с дистанционным управлением. При использовании насосов от гидропривода ГСТ-90 передаточное число редуктора должно быть i= 0,667 (повышающая передача).
6. Привод колесной оси должен осуществляться гидромоторами через двухступенчатый цилиндрический редуктор и иметь не менее двух выходных валов с возможностью подключения к каждому валу не менее двух гидромоторов. Каждый гидромотор должен подключаться к валу редуктора через муфту включения с дистанционным управлением. При использовании гидромоторов от гидропривода ГСТ-90 и железнодорожного колеса диаметром 0,78 м передаточное число редуктора должно быть равно i _кр =3,6 (понижающая передача).
7. Гидропривод должен обеспечивать непрерывное и плавное регулирование при постоянной мощности двигателя в диапазоне не менее . При этом минимальный динамический фактор должен иметь значение не менее D _min ≥ 0,006, а максимальный не менее D _max ≥ 0,02. Насосы гидропривода должны быть оснащены регуляторами мощности. Общий диапазон регулирования должен обеспечиваться как за счет регулирования давления (за счет насосов), так и за счет изменения объема гидромашин (за счет моторов) путем их подключения к редуктору по мере увеличения сопротивления или поочередного отключения при снижении сопротивления.
8. Для непрерывного регулирования гидропередачи она должна быть оснащена системой автоматического управления.
9. Максимальный перепад давления должен быть ограничен предохранительным клапаном величиной ∆Р _max = 35 МПа. Система должна иметь второй предохранительный клапан, настроенный на перепад 40 MПа и иметь возможность подключения к системе любого из клапанов (аварийный тяговый режим).
10. Общая масса гидропривода с учетом редукторов, гидромашин и аппаратуры не должна превышать 900 кг.
11. Моторесурс передачи должен быть не менее 2000 час.
12. Привод должен обеспечивать разгон до стандартной скорости 60 км/час не более чем за 4 минуты, при этом путь разгона на горизонтальном участке дороги должен составлять не более 2,5 км.

Литература:

1. Антонов, А. С., Кононович Ю. А. и др. Армейские автомобили. Теория. — М.: Военное издательство МО СССР, 1970, 526 с.
2. Степанченко, Э. П., Фалалеев П. П. Технологическое оборудование. — М.: МО СССР, 1986, 364 с.
3. Литвинов, А. С., Фаробин Я. Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство». — М.: Машиностроение, 1989.—240 с.
4. Вахламов, В. К. Автомобили: Эксплуатационные свойства: учебник для студ. Высш. Учеб. Заведений — М.: Издательский центр «Академия», 2006.-240 с.