Поузловая характеристика автотранспортных средств

Применяемые на рудных карьерах автосамосвалы имеют две оси и колесную формулу 4x2. Исключение составляют сверхмощные автосамосвалы фирмы «Бабко» грузоподъемностью 225—250 т и фирмы «Терекс» Титан 33-19 грузоподъемностью 350 т. Эти автосамосвалы имеют три оси и колесную формулу 6х4.

Все автосамосвалы разгружают кузов путем опрокидывания его назад. Исключение составляют автомобильные полуприцепы фирмы «Эвклид» с боковым опрокидыванием кузова. Эти машины грузоподъемностью 90 т применяют на карьере Бэббит компании «Ризерв Майнинг». Их удельный вес в общем числе машин, работающих на железорудных карьерах США, составляет всего 7,3%. В отдельных случаях для перевозки аллювиальных наносов на меднорудных карьерах используют полуприцепы с донной разгрузкой, но удельный вес их также мал.

Главными элементами автосамосвала, определяющими основной параметр транспортного сосуда — грузоподъемность, являются двигатель и трансмиссия.

Двигатели. По существу, история автомобильных двигателей для карьерных самосвалов начинается с дизельного двигателя Камминс модели 7V, который был установлен на машине Эвклид 80FD грузоподъемностью 15 т. Этот автосамосвал впервые появился на карьерах района Месаби Рэндж, штат Миннесота, США, в 1937 г.

На рис. 47 показана динамика мощности двигателей внутреннего сгорания и грузоподъемности автосамосвала. Из рисунка видно, что за период с 1937 по 1959 г. существенного роста мощности двигателей не наблюдается. Однако в последующее время мощность дизельных двигателей интенсивно растет, что объясняется бурным развитием открытых горных работ.

Опыт работы автотранспорта в карьерных условиях показал, что для его успешного использования необходим одновременный учет мощности двигателя, грузоподъемности и профиля автодороги.

На многих меднорудных карьерах существуют такие условия, как например, в крупнейшем карьере Бингам, штат Юта, США, когда породу везут вверх по дорогам с уклоном в 12%. На всем расстоянии транспортирования, равном 3,75 км, около 40% участков имеют подъем 12 и 5%. В таких условиях один и тот же груз с большей эффективностью везут автосамосвалы, имеющие более мощные двигатели. Так, на карьерах автосамосвалы грузоподъемностью 100 т с двигателями мощностью 736 кВт преодолевают подъемы, равные 15%, со скоростью 4,7 км/ч, в то время, как автосамосвалы с двигателями мощностью 515 кВт преодолевают тот же подъем со скоростью 3,2 км/ч, т. е. почти в 1,5 раза меньшей. А это влечет за собой увеличение времени рейса, что в конечном итоге влияет на производительность автосамосвалов. Так, расчетная часовая производительность автосамосвала грузоподъемностью 100 т с двигателем мощностью 736 кВт на 21% выше, чем у самосвала с двигателем мощностью 515 кВт. С увеличением мощности двигателя до 1398 кВт время рейса можно дополнительно снизить на 44% по сравнению с двигателем мощностью 736 кВт и на 74% по сравнению с двигателем в 515 кВт. Однако в этом случае необходимо учитывать стоимость двигателя и его эксплуатационные характеристики. Поэтому при выборе мощности двигателя и грузоподъемности автомашин необходимо учитывать все факторы. Как видно из рис. 48, удельная мощность двигателя, отнесенная к 1 т грузоподъемности, снижается с ростом последней. Особенно это снижение заметно при использовании автосамосвалов грузоподъемностью до 40—50 т, которые имеют удельную мощность до 8,8—10,3 кВт. Однако с вводом в эксплуатацию большегрузных машин удельная мощность двигателя снижается и не превышает, как правило, 6,3 кВт. В данном случае увеличение времени рейса компенсируется высокой грузоподъемностью.

Аналогичным образом изменяется удельная мощность двигателя, отнесенная к 1 т массы груженого автосамосвала. Эта величина снижается с ростом грузоподъемности с 5,3 до 4,0 кВт. Асимптоты обеих кривых с достижением грузоподъемности 250—350 т соответственно составляют 6,0 и 3,8 кВт.

Автомобильные двигатели производят компании «Дженерал Моторс», «Камминс» и «Катерпиллер». Общая характеристика двигателей приведена в табл. 82.

Все двигатели компании «Дженерал Моторе» — двухтактные с числом цилиндров 12 и 16 (первая цифра в обозначении модели). В отличие от них двигатели компании «Камминс» и «Катерпиллер» — четырехтактные с числом цилиндров соответственно 12 и 8—12 с V-образным расположением. Преимуществами двухтактных двигателей являются низкая стоимость и хорошая характеристика ускорения. Четырехтактные двигатели могут работать при более низкой температуре, чем двухтактные, и потребляют топливо, которое может быть более низкого качества.

Компания «Дженерал Моторе» выпускает двигатели серии 149, в которую входят модели: GM12V-149; GM12V-149T; GM12V-149TI; GM16V-149; GM16V-149T и GM16V-149TI мощностью соответственно 588, 736, 882, 779, 974 и 1176 кВт, частота вращения 99 с-1.

Фирма «Катерпиллер» выпускает двигатели D348 мощностью 639, 735 кВт, с частотой вращения 209,4 с-1.

Компания «Камминс» приступила к выпуску новой серии двигателей типа «К», состоящей из ряда четырех-и шестицилиндровых моторов с линейным вертикальным расположением цилиндров и 8-ми, 12-ти и 16-цилиндровых моторов с V-образным (под углом 60°) расположением цилиндров.

Эти двигатели высокоскоростные с большой частотой вращения. Как показала практика, эксплуатационные качества и надежностные характеристики таких моторов не соответствуют требованиям, предъявляемым к ним большегрузными автосамосвалами. Поэтому автосамосвалы Терекс 33-19, Бабко Хаулпэк и Юнит Риг Летра Хаул М200 грузоподъемностью соответственно 350, 235 и 200 т оборудованы низкооборотными дизельными двигателями локомотивного типа, выпускаемыми отделением «Электромотивс» компании «Дженерал Моторе». Такие двигатели предназначаются для автосамосвалов особо большой грузоподъемности. Известны три модели двигателей: 8-645-Е4, 12-645-Е4 и 16-645-Е4 мощностью соответственно 1103, 1764 и 2426 кВт при частоте вращения 15 с-1. У них весьма высокое отношение массы и мощности, которое примерно на 30% больше, чем у высокооборотных двигателей, однако низкооборотные двигатели считают единственно практически возможными для машин такой большой грузоподъемности.

Некоторое снижение полезной нагрузки в автосамосвалах за счет увеличения массы двигателя полностью компенсируется высокими эксплуатационными качествами моторов.

Вместе с тем, конструкторские бюро автомобилестроительных фирм изыскивают новые типы силовых установок, которые бы обладали меньшими размерами, собственной массой, имели бы невысокую удельную стоимость и обеспечивали высокую надежность и долговечность. В этой связи наибольший интерес представляет опыт применения газотурбинных двигателей транспортного типа.

Опытно-конструкторские работы по созданию транспортных газотурбинных двигателей ведутся в США и Канаде, где разработкой и производством их занято около 30 фирм. За период с 1955 по 1975 г. в этих странах был создан ряд турбин мощностью от 441 до 1103 кВт (табл. 83).

Зарубежными фирмами построено и испытано около 100 автосамосвалов с газотурбинными двигателями. Так, еще в 1965 г. фирма «Юнит Риг энд Эквипмент» выпустила автосамосвал модели M-100 грузоподъемностью 100 т. Он был оборудован газотурбинным двигателем ЛМ-100 мощностью 919 кВт. Автосамосвал был испытан на карьере Чино, штат Нью-Мексико, имеющем глубину около 300 м.

Аналогичный автосамосвал M-100, оборудованный газовой турбиной «Солар Сатурн» мощностью 810 кВт, проработал на меднорудном карьере Беркли 6000 ч. Единственной серьезной неисправностью при работе газовой турбины явился сильный износ ее лопастей, вызванный большой запыленностью воздуха в карьере. Установка двухступенчатого инерционного воздухоочистителя позволила решить эту проблему.

Интересны результаты одновременной эксплуатации в карьере Бингам (США) в течение 2 лет шести автосамосвалов грузоподъемностью 100 т с газотурбинным двигателем мощностью 736 кВт и шести автосамосвалов такой же грузоподъемностью с дизельными двигателями мощностью 515 и 736 кВт. Машины работали в одинаковых условиях, поэтому создавались исключительно благоприятные условия для сравнения результатов. Испытания показали, что использование газотурбинных двигателей по сравнению с дизельными имеет следующие преимущества: на 75% меньше собственная масса; на 35% меньше размеры турбины, поэтому требуемое для ее размещения пространство тоже меньше; турбина проста в обслуживании, так как 75% ее узлов и деталей легко заменяется, в связи с чем затраты на ремонт на 30—50% ниже; коэффициент использования выше на 10—15%, срок службы турбины больше в 2—3 раза. Вместе с тем газотурбинные двигатели имеют и недостатки, главными среди которых являются высокая первоначальная стоимость, большое потребление топлива и зависимость работы турбины от окружающей температуры и высотных отметок.

Первоначальная стоимость газотурбинного двигателя примерно в 2 раза выше, чем дизельного. Так, удельная стоимость газовой турбины Солар Сатурн T-1000 мощностью 810 кВт составляет 61,5 долл/кВт, в то время как стоимость дизельных двигателей такой же мощности не превышает 29,9 долл/кВт.

Испытаниями установлено, что при высокой температуре окружающего воздуха мощность газотурбинного двигателя снижается. Так, в условиях одного из карьеров в штате Аризона было установлено, что при температуре воздуха выше 33,3°С у газовой турбины Солар Сатурн наблюдается недостаток мощности по сравнению с номинальной.

Еще больше снижается эффективность газотурбинных двигателей в условиях высокогорья.

Автомобильные газотурбинные двигатели работают на различном топливе. Наиболее распространенным топливом являются автомобильный бензин, тракторный керосин и дизельное топливо. По данным: испытаний в карьере Бингам, расход топлива газотурбинным двигателем был в 3 раза выше, чем дизельным двигателем.

Вместе с тем по другим данным удельный расход топлива у двухвальных газотурбинных двигателей при отсутствии теплообменника составляет 0,340—0,68 кг/(кВт*ч), а с теплообменником фирм «Форд», «Дженерал Моторе» — 0,230—0,350 кг/(кВт*ч) (табл. 84).

Специалисты моторостроительных фирм считают, что газотурбинные двигатели в ближайшее время смогут быть конкурентоспособными по стоимости и мощностным показателям с дизельными двигателями. Снижение стоимости происходит за счет использования дешевых металлов и сплавов, применения керамических материалов и т. п.

Газотурбинные двигатели способны удовлетворить повышенные требования, предъявляемые к карьерным автосамосвалам в области увеличения потребной мощности силовых установок, которая приближается к критическому рубежу для дизельных двигателей с точки зрения их массы, стоимости и эксплуатационных расходов. Они наиболее перспективны и с точки зрения удовлетворения растущих требований в деле охраны окружающей среды от загазованности и особенно с ростом глубины открытых горных работ.

Однако главным в будущем газотурбинных двигателей является перспективность их применения в автосамосвалах с электрической трансмиссией и мотор-колесами благодаря простоте их рабочего цикла. Тогда в случаях применения регенераторов и рекуператоров возможна значительная экономия горючего.

В одном из железорудных карьеров района Месаби Рэндж, штат Миннесота, были проведены испытания турбоэлектрического автосамосвала грузоподъемностью 105 т фирмы «Эвклид». На автосамосвале была установлена турбина Авко Лайкоминг ТГ-14 мощностью 810 кВт. Двигатель выполнен с встроенным редуктором, снижающим частоту вращения выходного вала до 100 с-1, а в дальнейшем с помощью дополнительной передачи — 38,4 с-1. Испытания показали, что этот автосамосвал по сравнению с подобными с механической передачей показал лучшие ходовые качества. Расход топлива при этом составил 0,23—0,44 кг/(кВт*ч), в то время как у дизель-электрических автосамосвалов M-100 и 120В фирм «Юнит Риг энд Эквипмент» и «Вабко» он равен 0,23—0,24 кг/ (кВт*ч).

Трансмиссии, По конструктивному решению двигателя и типу трансмиссий различают автосамосвалы: дизельные с механической или гидромеханической трансмиссией и дизель-электрические или турбоэлектрические с электромеханической трансмиссией и обмоторенными колесами, работающими от постоянного или переменного тока.

На подавляющем большинстве автосамосвалов с механической трансмиссией для передачи энергии вращения используются коробка передач и система преобразования момента вращения фирмы «Дженерал Моторе» типа Аллисон модели CLBT6061 и DP8961 (табл. 85).

Они имеют одну заднюю и шесть передних скоростей, переключение которых производится гидравлическим способом с помощью ручного рычажного устройства или электрического управления. Возможно также автоматическое переключение скоростей с помощью точной электронной синхронизации в зависимости от мощности потребляемой энергии.

Модель CLBT6061 при максимальной входной частоте вращения 41,7 с-1 устанавливают на автосамосвалах с мощностью двигателя до 467 кВт, Модель DP 8961 с двойной ветвью передачи вращения при максимальной входной частоте вращения 41,7 с-1 предназначена для двигателей мощностью до 736 кВт.

Гидравлическое замедление скорости осуществляется ручным рычагом или ножной педалью, которая обычно является дополнительной к педали рабочего тормоза. Замедлитель расположен впереди планетарного механизма за преобразователем вращающего момента и может действовать при любой из передних скоростей. Поглощение вращающего момента происходит под действием лопаточного редуктора, вращающегося в масле между неподвижными статорами,

Фирма «Катерпиллер» применяет собственную конструкцию автоматической передачи, у которой семь передних скоростей и преобразователь момента вращения действуют только при первой и второй скоростях и при реверсировании.

В другой модели этой же фирмы грузоподъемностью 50 т передача имеет три автоматически избираемых скорости и в каждой из них вручную можно выбрать три различных передаточных числа, поэтому в результате обеспечивается девять передаточных чисел для передних скоростей и три — для задней скорости.

В тяжелых условиях работы автосамосвалов при частом переключении передач механическая трансмиссия не способна эффективно передавать среднюю и большую мощность двигателя ввиду разрыва ее потока. Поэтому на зарубежных карьерах такой трансмиссией оборудованы, как правило, автосамосвалы грузоподъемностью до 100 т.

Электромеханическая трансмиссия сводит к минимуму этот недостаток и обеспечивает максимально возможные среднетехнические скорости. Гидромеханическая трансмиссия занимает как бы промежуточное положение между этими двумя типами трансмиссий и обеспечивает некоторые средние показатели.

При одинаковых организационных условиях величина коэффициента использования парка машин зависит от того, какого типа трансмиссия установлена на автосамосвалах. Большие значения коэффициента использования предопределяются большей надежностью в эксплуатации автосамосвалов с гидромеханической и электромеханической трансмиссиями. В этой связи производительность автосамосвалов с гидромеханической трансмиссией на 10—15%, а с электромеханической — на 18—20% выше производительности автосамосвалов той же грузоподъемности, но с механической трансмиссией.

На автосамосвалах особо большой грузоподъемности применяют электромеханическую трансмиссию, при которой электропривод может быть групповым, когда момент передается двум и более колесам, или индивидуальным, когда момент на колеса передается от отдельного электродвигателя. Последний значительно сокращает число элементов механической передачи, поскольку в обмоторенном колесе конструктивно объединены все элементы исполнительного механизма: тяговый электродвигатель, редуктор, колесо, тормозное устройство и вспомогательные механизмы. Характеристика систем электрической трансмиссии приведена в табл. 86.

Впервые колесо со встроенным электрическим двигателем было смонтировано ведущей фирмой при производстве электропривода для автосамосвалов «Юнит Риг энд Эквипмент» в 1962 г. на самосвале Лектра Хаул грузоподъемностью 85 т. К настоящему времени фирмой выпущено около 3000 автосамосвалов грузоподъемностью от 85 до 200 т с обмоторенными колесами.

Конструкции электропередач с двигателями переменного тока имеют некоторое упрощение по сравнению с конструкцией электропередач с двигателями постоянного тока. Однако в настоящее время используются только двигатели постоянного тока с сериесной обмоткой, которые либо встраиваются в колеса, либо устанавливаются на каждой приводной оси. Постоянный ток поступает от генератора, который работает от дизельного двигателя. При мощности двигателя более 736 кВт рекомендуется применять синхронный генератор и выпрямитель.

Существует несколько способов электропривода, но все они подобно гидравлическому способу передачи момента вращения имеют возможность плавного замедления скорости путем реверсирования электродвигателя и превращения его в генератор. Производимая электроэнергия превращается в тепло с помощью электрических сопротивлений, которые охлаждаются потоком воздуха с помощью вентилятора.

Электропривод автосамосвалов обеспечивает плавную передачу тягового усилия в широком диапазоне скоростей, уменьшает ударные нагрузки. Автосамосвалы с электроприводом более приспособлены к карьерным условиям, могут преодолевать более крутые уклоны выездных траншей (до 15%). Оснащение автосамосвалов обмоторенными колесами с встроенными гидротрансформаторами благодаря автоматическому распределению нагрузки и изменению передаточного отношения гидротрансформаторов обеспечит прохождение часто встречающихся на карьерных трассах кривых малых радиусов (15—20 м) без пробуксовки и проскальзывания ведущих колес. Электропривод на большегрузных автосамосвалах обеспечивает применение надежных тормозных устройств, и эффективных замедлителей, столь необходимых при работе в глубоких карьерах, где имеется множество затяжных уклонов.

При изготовлении автосамосвалов к ним прилагаются специальные диаграммы, позволяющие определить скорость, при которой данная механическая или электрическая система замедления является наиболее эффективной.

Тормоза. Конструкция механических тормозов у автосамосвалов различна, но во всех случаях торможение производится за счет трения с выделением тепловой энергии. Существуют нормы и правила тормозной эффективности, в частности, для безопасного движения при спуске по наклонным и кривым дорогам карьера с двухсторонним движением. Основные требования заключаются в том, чтобы рабочие тормоза останавливали полностью загруженный самосвал на наклонном участке дороги длиной не более 60 м с уклоном 10% при скорости движения 32 км/ч, а при скорости движения 53 км/ч путь торможения должен быть не более 120 м. В карьере Вабаш провинции Лабрадор были испытаны автосамосвалы Терекс 39-15. Один из них был загружен до 150 т, а другой до 170 т. Уклон пути при каждом испытании составлял 8%. Машина с более легким грузом при скорости движения 35 км/ч была остановлена с помощью рабочего тормоза на участке длиной 22 м, а при скорости 42 км/ч на участке длиной 40 м. Вторая машина с большей нагрузкой при скорости движения 40 км/ч была остановлена на участке пути, равном 41 м.

Одной из наиболее распространенных конструкций рабочих тормозов является клиновое устройство (рис. 49,а), действующее на тормозной шкив. Воздействующий на колодки механизм может работать при помощи сжатого воздуха и гидравлической жидкости. Тормоза фирмы 8169 ГРП 39 «Роквелл Стандарт» под названием «Стопмастер» с большим диаметром шкива, имеющие 3 колодки и предназначенные для машин грузоподъемностью более 200 т, рассчитаны на осевые нагрузки до 2000 кН и работают при гидравлическом давлении до 10 290 кПа.

Другой конструкцией являются дисковые тормоза (рис. 49,б), которые монтируются преимущественно на задних скатах, а па машинах фирмы «Мэк» М65ВХ и M75SX — на всех колесах. Фирма «Катерпиллер» на своих машинах применяет многопластинчатые тормоза, заполненные маслом, которое непрерывно охлаждается водой в теплообменнике. Замедление регулируется ручным рычагом на рулевой колонке.

Новая тормозная система «Фаза III», разработанная компанией «В. Г. Гудрич», испытана в карьере Пима. Система установлена на автосамосвалах фирмы «Эвклид» грузоподъемностью 170 т. Своему появлению система во многом обязана принятому в 1977 г. в провинции Британская Колумбия (Канада) новому требованию к автосамосвалам, работающим на карьерах. Оно сводится к тому, что груженый автосамосвал, движущийся со скоростью 56 км/ч вниз по съезду с уклоном 10%, в случае торможения должен остановиться на участке длиной 152,5 м. Система испытана на автосамосвалах основных фирм «Терекс», «Юнит Риг энд Эквипмент» и «Вабко».

Главными компонентами тормозной системы являются: тормозное колесо на передних шинах большегрузных автосамосвалов с ободом диаметром 124,5 и 129,5 см, тормозное моторизованное колесо для ведущих задних обмоторенных колес и стояночный тормоз. Еще один компонент — колесный тормоз дискового типа, создает тормозное усилие в ведущих колесах еще до перехода его в арматуру электромоторов.

Тормозное колесо, имеющее накладки сегментного типа, имеет на 60% больше площадь торможения и на 47% больше объем торможения по сравнению с дисковыми тормозами. Кроме того, накладки смонтированы таким образом, что их замену производят без снятия колеса.

Тормозное моторизованное колесо, монтируемое на арматуре электродвигателя обмоторенного колеса, имеет диски, армированные молибденистой сталью из расчета унция на 50,8 мм. Характерные особенности тормозного колеса включают: изоляторы на каждом поршне толщиной 15,9 мм; накладки, которые могут быть заменены путем удаления только одного болта; узлы, идентичные тем, которые применяются в широко распространенной тормозной системе «Фаза I», есть возможность выбора одно- или двухдисковой конфигурации тормозов, а также набора необходимого материала для накладок.

Тормоз «Инсайд-аут» предлагают использовать попеременно с тормозом моторизованного колеса. Он имеет увеличенные по диаметру диски, что способствует лучшему поглощению тепла, выделяемого при торможении. Колесные диски удаляются независимо от тормозных крышек дисков, чем обеспечивается легкий доступ к щеткам и арматуре электрических двигателей.

В процессе испытания тормозной системы, которое проводилось в сухой день при температуре воздуха 24,4°С и которое включало в себя 17 остановок в трех сериях испытаний, было установлено полное соответствие системы предъявляемым требованиям. Главная задача заключалась в определении длины тормозного пути, которая определялась по времени с момента нажатия шофером педали тормоза до полной остановки машины. Собственная масса автосамосвала распределялась следующим образом: на переднюю ось — 51,1 т, на заднюю — 56,5 т. Масса груженого автосамосвала распределилась соответственно — 84,5 т на переднюю ось и 198,5 т на заднюю. В результате испытаний было установлено, что автосамосвал, двигаясь вниз по съезду с уклоном 10% со скоростью 48 км/ч и с грузом 175,4 т, имел среднюю длину тормозного пути, равную 59,8 м, при требуемой 98,5 м.

Хорошие результаты испытаний были получены на карьерах провинций Британская Колумбия и Альберта в Канаде. B первом случае была сделана серия остановок (по пять остановок в каждой серии) с наращиванием скорости от 8 до 40 км/ч с интервалом 8 км/ч для получения графической зависимости длины тормозного пути от скорости движения. Все значения длины тормозного пути были меньше величины, требуемой по инструкции.

Экстремальным вариантом был такой, при котором груженая машина, движущаяся со скоростью 56 км/ч по съезду с уклоном 10%, остановилась при торможении на участке длиной 95,2 м, требуемая длина тормозного пути равнялась 152,5 м.

Во втором случае испытания проводили в режиме сокращенного времени на охлаждение тормозов. Пять остановок груженого автосамосвала были выполнены на съезде с уклоном 10% при скорости движения около 45 км/ч. Тормозами в задних колесах было развито давление 6890 кПа. Фактическая длина тормозного пути составила 72,5 м при установленной правилами безопасности 85,4 м.

Подвеска колес автосамосвалов должна поглощать колебания и вибрации от неровностей дороги и удары во время погрузки крупных кусков породы, а также должна действовать, когда машина нагружается или разгружается и когда возникает дополнительная нагрузка на переднюю ось при доставке груза под уклон и на заднюю ось — при подъеме (рис. 50).

Наиболее трудными дорожными условиями считают выбоины, которые обычно образуются вследствие подпрыгивания колес в результате плохого контакта шин с почвой. Поэтому пружинящая способность шин является весьма важным обстоятельством.

Идеальная подвеска должна абсорбировать высокочастотные дестабилизирующие воздействия с минимальными неудобствами для водителя и без чрезмерного усилия на машину. Однако простая пружина и вязкий демпфер не обеспечивают такое состояние. Поэтому применяют три типа подвесок: торсионные стержни, работающие на скручивание; спиральные сильные пружины или эллиптические листовые рессоры на небольших машинах и гидропневматические цилиндры или колонки из резиновых прокладок с металлическими пластинами на крупных машинах. Листовые рессоры почти не требуют ухода и ремонта, но для крупных машин такая подвеска слишком тяжела и громоздка. Кроме того, при чрезмерных нагрузках рессоры подвергаются хрупкому излому и для поглощения ударов требуют применения демпферных устройств. Такая конструкция допускает только низкую частоту нарушений стабильности и высокую амплитуду колебаний. Она применяется на автосамосвалах грузоподъемностью от 50 до 70 т фирм «Терекс», «Мэк» и «Интернейшнл Пейхаулер».

Срок службы колонковых подвесок из резиновых дисков достигает 25 тыс. ч. Их замена производится в тех случаях, когда резина окончательно истирается.

Гидропневматические подвески передают колебания колес или осей через колонку с маслом контейнеру, содержащему сжатый инертный газ, обычно азот. Профилактический ремонт такой подвески делают через 5000 ч; иногда требуется дополнительная зарядка подвески азотом. Гидропневматические подвески позволяют уменьшить высоту погрузки на 17,9% по сравнению с рессорными. Это наиболее распространенный способ подвески. Его применяют на своих машинах фирмы «Вабко», «Катерпиллер» (США), «Фаун» (ФРГ), «Эвелинг Бэрфорд» (Великобритания), «Коматсу» (Япония) и «Терекс» (США).

Рама. Конструкция рамы в автосамосвалах большой грузоподъемности весьма проста. Обычно она имеет сварную конструкцию с несколькими поперечными балками двутаврового или коробчатого вида. Рамы иного типа автосамосвалы имеют лишь в некоторых случаях.

Шины. Наибольший удельный вес в затратах на автомобильные перевозки приходится на шины. Поэтому понятно то большое внимание, которое уделяют вопросу выбора типа шин для автосамосвалов, работающих в карьерах в самых разнообразных условиях и при температуре, изменяющейся в широком диапазоне.

Совершенствование конструкций шин происходит главным образом за счет создания новых разновидностей бескамерных шин низкого давления с большой шириной катящейся дорожки покрышек и гибким каркасом. Профиль шин измеряют отношением разности внешнего радиуса колеса и радиуса диска (высота сечения шины) к ширине сечения (каркаса) шины.

Классифицируют шины в зависимости от максимальной ширины их сечения и диаметра диска с одновременным учетом скорости вращения колеса. Обычно колесные диски бескамерных шин большегрузных машин охватывают реборды, состоящие из пяти элементов конструкции шины и суживающиеся под углом 5°. Ширина диска определяется размерами шин и устанавливается конкретно для каждого типа.

В США принята классификация TRA («Танэ энд Рим Acсошейшн»), по которой шины делятся по типам Е, L, G, где буквы обозначают соответственно шины с поперечным кордом: предназначенные для автосамосвалов и колесных скреперов (E), колесных погрузчиков и бульдозеров (L) и грейдеров (G). Цифры, стоящие рядом с буквами, обозначают категорию шин, устанавливаемую в зависимости от условий работы. Например, Е-3 обозначает, что шины предназначены для автосамосвала или скрепера, работающих на хороших дорогах с покрытием из твердых пород и транспортирующих материал на средние расстояния со средней скоростью. Е-4 — для более трудных условий при коротких расстояниях транспортирования с низкой скоростью.

Выбор типа шин производят в зависимости от их нагревания, которое, в свою очередь, зависит от массы, приходящейся на шину, скорости движения и температуры окружающего воздуха. Под действием тепла, возникающего в шинах от изгибания под тяжестью перевозимого с определенной скоростью груза, происходит расслоение шин. При невысокой температуре нагрева шин их износ происходит от ударов на неровностях дорог.

Для выбора типа шин используют сведения о том количестве груза, которое необходимо перевезти при определенной температуре окружающего воздуха. В табл. 87 приведены сведения о производительности отдельных типов шин, измеряемой в т*км/ч. Зная требуемую производительность и температуру окружающего воздуха, можно подобрать тип шины.

Дополнительно к этому фирма «Эвклид Инкорпорейтед» предлагает пользоваться коэффициентом «К», который равен удельной производительности шины в т*км/ч, отнесенной к массе груженого автосамосвала, приходящейся на один скат. В табл. 88 приведены сведения об этом коэффициенте для шин с радиальным и поперечным кордом. Установлено, что шины с радиальным размещением нейлонового или стального корда обладают следующими преимуществами по сравнению с поперечным размещением: уменьшается износ протектора; возрастает сопротивление порезам и повреждениям от скальных пород; увеличивается область применения максимальной скорости движения; улучшается сцепление с мягким грунтом, снижается сопротивление качению и снижается расход топлива.

Компания «Гудеир Тайер энд Раббор» предложила следующие коэффициенты при определении срока службы шин: при изменении скорости движения от 16 до 48 км/ч — 1,0—0,6; при изменении дорожного покрытия от мягкого до жесткого — 1,0—0,6; при изменении положения колес — управляемых 0,9, ведущих 0,8; при изменении количества груза от номинального до 40% перегруза — 1,0—0,5; при изменении характера поворота от нуля до крутого — 1,0—0,8; при изменении подъема дороги от нуля до 15% — 1,0—0,7; при ремонте (от хорошего до плохого) — 1,0—0,7; другие разнообразные недостатки до 0,8.

В результате проведенного анкетного опроса были получены сведения по 110 карьерам о продолжительности службы автомобильных шин. Эти сведения приведены в табл. 89. Из таблицы видно, что минимальный срок службы шин увеличивается с ростом их размеров. Так же изменяется средняя стоимость шины, приходящаяся на 1 т перевезенного груза.

Увеличить срок службы шины можно путем изменения основных факторов.

Так, меньшую скорость движения можно развивать при использовании шин с большим сопротивлением резанию и меньшим сопротивлением теплу. Снижение скорости движения возможно в тех карьерах, где образуются очереди в пункте погрузки или в пункте разгрузки. Весьма благоприятное влияние на соотношение скорости движения автосамосвалов и их распределение по экскаваторам оказывают широко распространенные в настоящее время системы оперативного управления автотранспортом в карьерах. При таких системах достигается оптимальное сочетание скорости движения и температурного режима работы машины.

Сроки службы шины зависят от профиля и плана автодорог, а также от материала, из которого они сделаны, и наличия просыпей, С ростом глубины карьеров увеличивается угол наклона съездов. Считается, что резкое увеличение величины подъема может оказать весьма вредное воздействие на срок службы шин.

Автомобильные дороги предпочтительно строить из мелкокусковатого материала. Их необходимо держать в чистоте, постоянно убирая просыпавшиеся из кузова куски горной массы, которые вызывают в наехавших на них шинах локализованные напряжения, способствующие перегреву, изменению внутренней структуры шины и, наконец, ее расслоению.

Автодороги на карьерах должны быть хорошо дренированы, так как излишняя влага играет роль смазки, вызывая пробуксовку колес и повышенный износ шин. На опыте одного из крупных карьеров были установлены минимальные требования к автодороге, заключающиеся в том, чтобы ее прогиб не превышал 0,5 м на 10 м длины, обязательно должна быть дренажная канава и равномерно выдержан уклон дороги.

Значительный износ шин вызывает резкий разворот машины на 180°. В этом случае нагрузка на шины распределяется неравномерно, чем вызывается повышенный износ шины.

Шины наполняют, как правило, сухим воздухом. Однако при испытаниях в качестве наполнителей были использованы азот, вода, вспененные полимеры и жидкие наполнители. Азот был применен главным образом благодаря его инертности к резине по сравнению с обычным воздухом. Однако применяющаяся в шинах внутренняя футеровка исключает неблагоприятное воздействие воздуха на каучук. В результате проведенных испытаний на карьерах Палабора и Сиеррита было определено, что при применении азота в качестве заполнителя шин срок их службы не увеличивается, но при этом уменьшается коррозия обода колеса.

Воду используют для снижения температуры нагревания шин. Как показали испытания на карьере Игл Маунтин, заполнение 8% объема шины водой позволило снизить температуру шины на 9°С, однако при этом коррозия обода колеса увеличилась. Часто в воду добавляют хлористый кальций (до 50%) для повышения плотности смеси. При любых сочетаниях заполнителей шины не менее 25% ее объема должно быть занято воздухом.

Для придания дополнительной устойчивости колесным бульдозерам и фронтальным погрузчикам в качестве заполнителей используют специально приготовленный сухой балласт из глины, известняка и сернокислого бария. Такие заполнители допустимы только для шин механизмов с малой скоростью перемещения.

При повышенной опасности прокола шин в качестве заполнителя применяют ряд вспененных полимеров. Эти заполнители обладают высокой стоимостью, требуют модификации обода колеса, увеличивают собственную массу шины. Поэтому в условиях, когда проколы не вызывают серьезных последствий, для защиты шин используют слои из стальной нити или специальные цепи и т. п. Применение подобных мер в обычных условиях вызывает порой снижение срока службы автомашин. Поэтому, например, использование цепной оболочки, надеваемой на шины, целесообразно в условиях повышенной опасности повреждения покрышек. Такие условия чаще всего встречаются при работе фронтальных колесных погрузчиков и колесных бульдозеров в забоях с крепкими породами и рудами.

Компании «Бриджстоун» и «Гудеир» производят для машин особо большой грузоподъемности шины размером 40.00-57 с 60-ю слоями. Диаметр шины 3,61 м, предельная ширина 1,07 м. Каждая из шин имеет собственную массу 3,5 т и рассчитана на нагрузку 556 кН при скорости движения 48 км/ч.

Поскольку срок службы шин и затраты на их эксплуатацию зависят от многих факторов, то тип и размер шин выбирают для конкретных условий индивидуальных карьеров. Например было определено, что шины с радиальным кордом целесообразно использовать при больших расстояниях транспортирования и высоких скоростях движения. Так, покрышки фирмы «Мичелин» размером 36.00-51, используемые на автосамосвалах Терекс 33-15 грузоподъемностью 150 т, после 2100 ч работы в карьере компании «Коминко Лтд.» в Канаде, имели износ 15%. При этом расстояние транспортирования составило 11,2 км, максимальная зарегистрированная температура покрышек достигала 77 °C.

В настоящее время производители шин и производственники, занимающиеся их эксплуатацией, считают, что размеры и собственная масса шин, их удельный вес в полной массе автосамосвала и технология изготовления достигли целесообразных пределов. Поэтому дальнейший рост грузоподъемности автосамосвалов будет идти по пути увеличения числа осей и скатов на каждой из них.

Кузова. Форме кузова и его конструктивному исполнению автомобилестроительные фирмы всегда придавали большое внимание.

Наиболее распространены следующие конструкции кузовов.

Кузов стандартного типа используют на автосамосвалах небольшой грузоподъемности для перевозки различных материалов, некрепких и неабразивных и имеющих небольшую плотность. Кузов имеет вертикальные борта и конусообразную форму для облегчения разгрузки.

Кузов карьерного типа имеет расширяющиеся борта, что облегчает работу машиниста экскаватора при погрузке. Большая площадь кузова позволяет максимально приблизить ковш экскаватора к днищу, благодаря чему снижается ударное воздействие на кузов и шасси.

Кузов ковшового типа применяют на автомобильных и тракторных полуприцепах для перевозки различных материалов, чаще всего некрепких пород вскрыши или руд средней и ниже средней крепости.

Кузов V-образной формы является наиболее распространенным, так как имеет ряд преимуществ по сравнению с другими. Он удобен для разгрузки, а также придает повышенную устойчивость автосамосвалу, так как около 10% груза в нем располагается ниже плоскости равновесия.

На рис. 51 показаны схемы автосамосвалов с различной формой кузова некоторых автомобилестроительных фирм США.

Кузова карьерных автосамосвалов обогревают выхлопными газами или специальными обогревателями. Автомобилестроительные фирмы проводят большую работу по совершенствованию материалов, из которых изготовляют кузова карьерных машин. Применение низколегированных высокопрочных сталей при изготовлении днища и бортов кузовов позволило полностью заменить устаревшие многослойные конструкции (донные плиты, обшивку досками, футеровку). В результате кузова стали намного легче и соответственно увеличилась грузоподъемность машин.

В карьере Рипаблик компании «Кливленд Клиффе Айрон» был испытан автосамосвал Катерпиллер 779 грузоподъемностью 75 т. Этот самосвал отличается от обычных тем, что на нем вместо кузова традиционной V-образной формы установлен кузов прямоугольной формы с задним бортом. Передняя часть кузова закреплена непосредственно на гидравлических подвесках, которые смягчают удар груза о раму. Наличие заднего борта значительно облегчает размещение груза в кузове, исключает возможность просыпания материала на дорогу, особенно при подъеме, что является главной причиной быстрого износа покрышек большегрузных автосамосвалов.

При создании карьерных автосамосвалов большой грузоподъемности широко используют специальные стали и сплавы, обладающие пределом прочности 686 465—1 029 698 кПа для повышения прочности узлов машин и особенно кузова и снижения их собственной массы.

В табл. 90 приведены сравнительные данные по массе и стоимости деталей, изготовленных из специальных сталей и сплавов, применяемых в машиностроении США.

В автопарке карьера Рей, штат Аризона, США, путем замены материала была увеличена грузоподъемность десяти автосамосвалов грузоподъемностью 60 т. На девяти из них для изготовления кузова были применены листы из стали T-1, вследствие чего масса кузова была снижена с 18 до 13 т, а грузоподъемность увеличена на 5 т. На десятом автосамосвале применили при изготовлении кузова алюминиевые сплавы, в результате чего собственная масса кузова была снижена до 8,8 т, а грузоподъемность повышена почти до 70 т. По мнению специалистов, увеличение грузоподъемности автосамосвалов за счет снижения собственной массы кузовов на 16,7% является предельным. Дальнейшее увеличение вместимости кузова влияет на скорость движения автосамосвала, особенно на подъемах, так как мощность двигателя остается неизменной, а нагрузка на него растет. Это вызывает увеличение продолжительности рейса, которое может свести все преимущества от роста грузоподъемности к нулю.

Сталь T-1, используемая для изготовления кузовов и рам, позволяет довести коэффициент тары автосамосвала до 0,50 — 0,55. При этом толщина стенок кузова уменьшается до 12,5 мм, а днища — до 19 мм. Сталь не чувствительна к высокой температуре летом и к низкой — зимой.

Помимо легированных сталей, большое применение находят алюминиевые сплавы. Они значительно влияют на грузоподъемность автосамосвалов и экономическую эффективность их использования. Применение алюминиевых кузовов позволяет уменьшить собственную массу машины, отказаться от деревянных амортизаторов в днищах кузовов, ограничить длину продольных и число поперечных ребер жесткости. Примерзание руды и породы к днищу кузова значительно меньше, а обогрев его надежней и проще из-за лучшей теплопроводности алюминия. Кузова из алюминиевых сплавов лучше стальных воспринимают удары крупных кусков. Они не поддаются коррозии и не требуют окраски.

Пионером в разработке и крупным производителем алюминиевых кузовов является канадская компания «Аттей», которая поставляет их для автосамосвалов с задней разгрузкой и для полуприцепов с донной разгрузкой. Фирма выпускает стальные и алюминиевые кузова вместимостью от 7,8 до 53,6 м3, которые унифицированы с конструкциями транспортных средств других канадских и американских автомобилестроительных фирм. Кузова изготавливают из высокосортных сплавов на основе алюминия типа «Алкан 74», разработанных фирмой «Алюминиум Ко. оф Канада», с пределом текучести 343 МПа, т. е. в 2 раза меньше, чем у стали марки Т-1.

Алюминиевые кузова стоят дороже стальных и имеют меньший срок службы. Однако, по данным фирмы «Атсй», первоначальные крупные денежные вложения в приобретение самосвалов с алюминиевыми кузовами окупаются увеличением производительности и снижением затрат на транспортирование. В процессе работы было установлено, что эксплуатационные расходы на автосамосвалы с алюминиевым кузовом грузоподъемностью до 50 т и свыше 50 т ниже соответственно на 9,1 и 7,5% по сравнению с эксплуатационными расходами на самосвалы со стальным кузовом.

Поэтому разница в цене кузовов окупается за первые 3,5 мес эксплуатации.

На карьерах компании «Канадиан Мэнвиль» в течение многих лет эксплуатируют автосамосвалы с кузовами, выполненными из алюминиевого сплава 5083 с пределом прочности на разрыв 315 МПа. Компания провела сравнение 50 машин общей грузоподъемностью 1500 т со стальными кузовами и 45 машин общей грузоподъемностью 1459 т с алюминиевыми кузовами. Опыт показал, что на капитальных затратах экономится 664,5 тыс. долл., на эксплуатационных — 1500 тыс. долл. и от возврата металла после полного износа кузова — 85,8 тыс. долл.

Новый тип кузовов из алюминиевых сплавов поступил в эксплуатацию в 1959 г. Автосамосвалы с этими кузовами прошли серию испытаний, в том числе в особо тяжелых условиях глубоких карьеров. Результаты этих испытаний показали, что алюминиевый кузов способен выдерживать значительные нагрузки, причем толщина кузова может быть уменьшена для дальнейшего облегчения автосамосвала без ущерба для его жесткости. Это оказалось возможным и потому, что новая техника сварки алюминиевых сплавов оставляла структуру материалов неизменной, благодаря чему обеспечивалась равномерная прочность по всему корпусу, включая сварные швы. Автосамосвал с алюминиевым кузовом эксплуатировался круглосуточно в течение пяти дней в неделю. В день он делал 50 ездок, перевозя около 25 т породы за одну ездку, тогда как автосамосвал той же модели и мощности, имеющий стальной кузов, перевозил 19,3 т за одну ездку. Таким образом, суточная производительность первой машины была на 292 т больше.

Осмотр кузова из алюминиевого сплава, отработавшего шестилетний срок, показал отсутствие каких-либо трещин по корпусу и в зоне сварных швов. Этот кузов имел пропущенные по его днищу стальные пластины для предохранения его от износа. Каркас кузова по краям имел также стальную окантовку, предохраняющую корпус от ударов днищем ковша экскаватора. Износ пластин на дне кузова оказался несколько выше износа дна стального кузова. За шесть лет эксплуатации не было необходимости в перекраске кузова, а его поверхность не имела следов коррозии.

Данные эксплуатации в течение двух с половиной лет двух аналогичных по мощности самосвалов с алюминиевым и стальным кузовами приведены в табл. 91.

Таким образом, при использовании автосамосвала с алюминиевым кузовом в течение двух с половиной лет экономия средств от снижения эксплуатационных расходов составила 15 тыс. долл. Грузоподъемность автосамосвала с алюминиевым кузовом была на 30% больше, затраты на транспортирование — на 15% меньше, а эксплуатационные расходы на 8% ниже.

Уменьшение массы автосамосвала позволяет значительно сократить расходы на транспортирование более легкой машины. Так, расходы на транспортирование стального кузова из провинции Квебек до штата Невада составляют 720 долл., а алюминиевого — 440 долл. Алюминиевый кузов имеет более высокую остаточную стоимость по истечении срока службы. Его стоимость после 7-летнего периода эксплуатации составляет 900 долл., а стального — менее 150 долл.

Таким образом, несмотря на высокую первоначальную стоимость, эксплуатация автосамосвала с алюминиевым кузовом позволяет получить более высокую прибыль по сравнению с эксплуатацией автосамосвала со стальным кузовом. Об этом свидетельствует также практика эксплуатации парка из пяти автосамосвалов различных моделей, имеющих кузова из алюминиевых сплавов (табл. 92).