Содержание к диссертации
стр.
Ведение 4
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1. Сущность и технологические возможности очистки взлетно-
9
посадочных полос и рулежных дорожек от снега
Обзор работ в области очистки поверхностей 9
Описание объекта исследования 29
Выводы по разделу. Цель и задачи исследования 33
2. Синтез механизмов для обеспечения необходимых условий копирования
отвалом и щеткой поверхностей взлетно-посадочных полос 35
аэродромов
Необходимые и достаточные условия копирования поверхностей взлетно-посадочных полос аэродромов отвалом и щеткой
Структурный анализ механизма копирующей системы щетки и отвала
2.3. Структурный синтез механизма копирования щеткой,
обеспечивающего необходимые условия копирования аэродромной 38
поверхности
Выводы но разделу 41
3. Моделирование гидромеханической системы аэродромной уборочной
машины
3.1. Обоснование и методология составления модели 42
3.2. Построение математической модели механической системы
44
аэродромной уборочной машины
3.3. Динамическая модель гидропривода щетки 51
Выводы по разделу 56
4. Экспериментальное и теоретическое определение собственных
58 (нсоптимизируемых) характеристик аэродромной уборочной машины и ее
внешних возмущений
Программа эксперимента 58
Методика экспериментальных исследований 58
4.2.1. Методика определения инерционных характеристик 58
4.2.2. Методика определения упругих и диссипатинных
62
характеристик
4.2.3. Методика определения возмущений со стороны взлетно-
65
посадочных полос аэродромов
4.2.4. Методика определения вибрационных характеристик
аэродромной уборочной машины
4.2.5. Тяговый расчет плужно-щеточного снегоочистителя 71
Выводы по разделу 81
5. Исследование гидромеханической модели аэродромной уборочной
машины
Выводы по разделу 100
6. Оптимизация гидромеханического привода щеточного устройства 101
Выводы но разделу 111
Общие выводы по работе 112
Литература 114
Приложения 123
Введение к работе
Актуальность. Физические показатели взлетно-посадочных полос и рулежных дорожек аэродромов должны обеспечивать безопасность взлета и посадки самолетов. Эти показатели зачастую определяются природными условиями - осадками снега, дождя и другими. При взаимодействии шин самолетов во время приземления на скользкие или покрытые водой поверхности имеются две критические скорости, при которых шина будет либо гидропланировать, либо скользить.
Безопасная динамика приземления должна исключать возможности гидропланирования и скольжения.
Это возможно, если взлетно-посадочные полосы своевременно очищать от снега и воды, что обеспечивается специальными аэродромными уборочными машинами. Для проектирования и производства которых необходимо создать механико-математические модели взаимодействия аэродромных уборочных машин с поверхностью взлетно-посадочных полос аэродромов. Оптимизируя эти модели можно найти оптимальные параметры уборочных машин на стадиях и этапах их проектирования.
Таким образом, решение задачи моделирования и оптимизации аэродромных уборочных машин для обеспечения их показателей качества, является актуальной.
Цель работы - Обеспечение показателей назначения и увеличение производительности аэродромной уборочной машины, путем оптимизации конструкции щеточного устройства и её гидромеханического привода.
На защиту выносятся:
Механизм копирования аэродромной поверхности высокоскоростной щеткой, обеспечивающий необходимые условия копирования.
Динамическая модель аэродромной уборочной машины, копирующая система которой обеспечивает наилучшие (достаточные) условия копирования аэродромной поверхности при уборке снега.
3. Динамическая модель гидропривода высокоскоростной щетки.
4. Инженерные решения по обеспечению качества копирования
высокоскоростной щеткой.
5. Методика оптимизации динамической системы гидромеханического
привода щеточного устройства аэродромной уборочной машины,
обеспечивающая работу двигателя тягача в номинальном режиме при сохранении
качества уборки снега с аэродромной поверхности.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана и защищена авторским свидетельством кинематическая схема
механизма копирования высокоскоростной щеткой взлетно-посадочных полос
аэродромов, обеспечивающая необходимые условия копирования.
2. Разработана динамическая модель аэродромной уборочной машины,
учитывающая условия копирования высокоскоростной щеткой поверхности
аэродромного покрытия.
3. Составлена динамическая модель гидропривода высокоскоростной щетки
аэродромной уборочной машины.
4. Разработана методика оптимизации динамической системы
гидромеханического привода щеточного устройства аэродромной уборочной
машины, обеспечивающая работу двигателя тягача в номинальном режиме при
сохранении качества уборки снега с аэродромной поверхности.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Разработана методика моделирования и оптимизации динамической системы аэродромной уборочной машины, позволяющая на стадиях и этапах ее проектирования обеспечить ее основные показатели, обеспечивающие качественную очистку взлетно-посадочных полос аэродромов от снега при экономии горюче-смазочных материалов.
Найдены допустимые значения статической и динамической неуравновешенностей высокоскоростной щетки аэродромной уборочной машины, не нарушающих ее копирующих свойств.
3. Определены оптимальные параметры динамической системы гидромеханического привода щеточного устройства аэродромной уборочной машины, обеспечивающие работу двигателя тягача в номинальном режиме при сохранении качества уборки снега с аэродромной поверхности.
Реализация в промышленности. Полученные оптимальные параметры динамической модели аэродромной уборочной машины и динамической модели гидромеханического привода щеточного устройства аэродромной уборочной машины переданы заказчику для модернизации машин находящихся в эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и докладывались на международных научных конференциях: « Прогрессивные технологические процессы в металлургии и машиностроении. Экология и жизнеобеспечение. Информационные технологии в промышленности и образовании» (Ростов - на - Дону, 2005г.), «Современные проблемы машиностроения и высоких технологий» к 75-летию ДГТУ (Ростов - на - Дону, 6-7 октября 2005г.), «Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении» (Одесса, 28 - 29 июня 2006.), «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2006г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ДГТУ (2004 - 2006 гг).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе патент на полезную модель.
В работе [44], посвященной моделированию динамики аэродромной уборочной машины, Жарову В.П. принадлежит общая постановка задачи, контроль и консультации в ходе её реализации и участие в анализе полученных результатов, Рыбаку Л.Т. принадлежит разработка динамической модели аэродромной уборочной машины в части моделирования её гидравлического привода, методика совместного решения математических моделей механической и гидравлической частей аэродромной уборочной машины, контроль проведения расчётов и участие в анализе полученных результатов, диссертанту принадлежит разработка динамической модели аэродромной уборочной машины в части
моделирования её механической системы, проведение расчётов и участие в анализе полученных результатов.
В работе [47], посвященной моделированию гидромеханической системы с дроссельной синхронизацией, Жарову В.П. принадлежит общая постановка задачи, контроль и консультации в ходе её реализации и участие в анализе полученных результатов, Рыбаку А.Т. принадлежит общая методика разработки математической модели, участие в подготовке программы расчётов для ЭВМ и участие в анализе полученных результатов, диссертанту принадлежит разработка математической модели, участие в подготовке программы расчётов и в анализе полученных результатов.
В работе [46], посвященной исследованию гидромеханической системы с дроссельной синхронизацией, Жарову В.П. принадлежит общая постановка задачи, контроль и консультации в ходе её реализации и участие в анализе полученных результатов, Рыбаку А.Т. принадлежит постановка задач и методика численного эксперимента, контроль подготовки программы расчётов для ЭВМ и её наладка, контроль проведения расчётов и участие в анализе полученных результатов, диссертанту принадлежит разработка математической модели и программы расчётов на ЭВМ, участие в наладке программы расчётов, проведение расчётов и участие в анализе полученных результатов.
В работе [94], посвященной исследованию надёжности дроссельного делителя потока для гидропривода аэродромной уборочной машины, Жарову В.11. принадлежит общая постановка задачи, контроль и консультации в ходе её реализации и участие в анализе полученных результатов, Рыбаку Л.'Г. принадлежит разработка конструкции и рабочих чертежей .экспериментального образца дроссельного делителя потока для гидропривода аэродромной уборочной машины, разработка методики проведения испытаний, контроль хода проведения работ и участие в анализе полученных результатов, Мирному В.И. и диссертанту принадлежит разработка испытательного стенда, его изготовление, проведение исследований и участие в анализе полученных результатов.
В работе [95 J, посвященной моделированию и оптимизации гидромеханической системы аэродромной уборочной машины. Жарову В.II. принадлежит общая постановка задачи, контроль и консультации в ходе её реализации и участие в анализе полученных результатов, Рыбаку Л.Т. принадлежит разработка алгоритма оптимизации, подготовка оптимизационной программы, участие в анализе полученных результатов, Ерёменко Л.Г. принадлежит подготовка оптимизационной программы, участие в анализе полученных результатов, Корчагин А.В. принадлежит подготовка выходных данных, разработка методики оптимизации, участие в разработке алгоритма оптимизации, участие в анализе полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 110 наименований, имеет 57 рисунков, 10 таблиц и изложена на 125 страницах машинописного текста.
В приложении приведены сведения о внедрении и одна из реализаций микропрофиля взлетно-посадочной полосы.
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследовании.
1.1 Сущность и технологические возможности очистки взлетно-посадочных полос и рулежных дорожек.
Очистка аэродромной поверхности от снега заключается в последовательном воздействии на снег нескольких рабочих органов. С помощью отвала очищают поверхность от основной массы снега. Очищенная после прохода отвала поверхность вторично очищается высокоскоростной щеткой. Оставшийся после щетки снег в некоторых случаях сдувается струей газа, для чего используют авиадвигатель.
При уборке снега высотой 2 - 3 см отвал в работе может не участвовать, в этом случае работает только щетка и струя газа.
При очистке покрытий от рыхлого свежевыпавшего снега в работе участвует только газовая струя, которая, сдувая снег, перемещает его в сторону от очищенной поверхности.
При очистке от снега грунтовых полос аэродромов и полос безопасности в работе участвует только снегоочистительный отвал.
При определенных метеорологических условиях, газовая струя может привести к образованию наведенного гололеда. В этом случае в рабоге используются отвал и щетка.
Сдувание воды и просушка покрытий обычно осуществляется струей газа, создаваемого авиадвигателем.
Очистка покрытий от грязи производится щеткой, а от пыли и мусора струей газа.
1.2 Обзор работ в области машинной очистки покрытий.
Основные виды снегоуборочной техники описаны в работах (49|, [64|, [631, [19], [43], [54] в которых авторы подробно рассматривают следующие виды
снегоуборочной техники: плужные снегоочистители, плужпо-щеточные снегоочистители, роторные снегоочистители, тепловые снегоочистители. Подробно рассматривается назначение, технические характеристики, основные параметры снегоуборочных машин.
Методика проектирования комплексной системы снегоудален им предложена в работе [61]. Эта методика позволяет производить качественную, своевременную очистку снега с минимальными экономическими и энергетическими затратами. Одним из основных этапов проектирования является сбор данных, в результате которого должно быть установлено:
Методы снегоудаления применяемые для разных территорий;
Количественные показатели снегоудаления для каждого применяемого метода;
Суммарные затраты на снегоудаление по каждому методу в отдельности и величина общих затрат;
Экономические показатели каждого метода;
Действующие режимы снегоудаления;
Организационная структура учреждений, осуществляющих снегоудаление;
Соответствие существующего положения по объемам снегоудаления и режимам уборки требованиям благоустройства.
При определении количественных показателей, автор обращает внимание на такие параметры как:
Количество удаляемого снега в расчетный и максимальный снегопад;
Общее количество удаляемого снега за весь зимний период;
Интенсивность снегоудаления в расчетный и максимальный снегопад;
Общее количество удаляемого снега в зимние периоды ближайшего планового срока и на перспективу.
Вопросы разработки методов надежного обоснования технико-экономической эффективности новых объектов техники на стадии проектирования, рассмотрены в работе [55]. Автор утверждает, что разработка и
выбор показателя или системы соответствующих моделей для оценки эффективности машин является одной из важнейших задач, решение которой определяет успех создания общих методов оценки, оптимизации и совершенства конкретных объектов техники.
На рис. 1.1 представлена системная модель рабочего процесса машины для удаления снега с покрытий автомобильных дорог и аэродромов.
Капитальные затрыты
Свойства среды
Погодно климатические условия
Свойства
дорожного
покрытия
Требования дорожно эксшгуатац ионной службы
Вход
Система
управления,
оператор
Параметры
рабочего оборудования
Параметры движетеля
Эксплуатационные затраты
Дальность перемещения
Пр о изв одитель н о сть
Энергоемкость
Мат ер и ал о е мко стъ
Процесс
Обобщенный показатель
Выход
Рис. 1.1. Системная модель рабочего процесса машины для удаления снега с покрытий автомобильных дорог и аэродромов.
Параметры, определяющие вход системы, являются следствием требований потребителей к производственным возможностям машины или к качеству продукции, которую она производит.
В качестве выходных параметров бывают, например, технические требования на изготовление, а так же производительность, металлоемкость и т.п.
Так же в работе автор приводит методы нахождения оптимальных характеристик:
Если параметры представляют собой линейную функцию, а ограничения - набор линейных неравенств, то задача решается методами линейного программирования;
Если параметры характеризуются нелинейными функциями, статическими параметрами и характеристиками, то задача может быть решена методами динамического, нелинейного, целочисленного и блочного программирования, а так же методами случайного поиска и эвристического программирования.
Приводятся пути развития и совершенствования конструкций снегоуборочных машин, основными из которых автор выделяет:
Расширение области применения снегоочистителей;
Повышение надежности и долговечности рабочих органов;
Повышение качества снегоочистки;
Снижение мощности, необходимой для работы плужно-щеточного снегоочистителя
Факторы, влияющие на трудность зимнего содержания дорог, рассмотрены в работе [40]. Одним из основных автор выделяет фактор природно-климатических условий, которые разделяются на: метеорологические условия, рельеф, растительность. Наиболее подробно в этой работе рассмотрены метеорологические факторы, которые включают в себя продолжительность периода зимнего содержания дорог, метелевый режим, ветровой режим, температурный режим, количество и вид осадков, высота снежного покрова. Рассматривая эти факторы, автор описывает их влияние па сложность работы снегоочистительных машин и их водителей в данных условиях. Для определения роли каждого из факторов, определяющих трудность зимнего содержания дорог, автор предлагает обратиться к географическим условиям того или иного района. В качестве основного признака районирования принят объем снега, приносимого
к дорогам. В результате территория СССР была разбита на семь зон различной трудности снетоборьбы.
районы периодической снегоборьбы.
районы легкой снегоборьбы.
районы со средней трудностью снегоборьбы.
районы трудной снегоборьбы.
районы очень трудной снегоборьбы.
районы особенно трудной снегоборьбы.
горные районы.
Ростовскую область по трудности снегоборьбы автор относит ко второй зоне, обладающей следующими характеристиками:
средняя температура воздуха в наиболее холодный период от - 2 до - 20"С;
высота снежного покрова (средняя из наибольших высот за зиму) равна 10 -15 см.).
Автор указывает факторы, влияющие на количество и вид техники для уборки снега в разных условиях окружающей среды, но конкретных видов снегоуборочной техники не приводит.
Изучением физико-механических свойств снега занимался в своей работе Д.Л. Шалман [94]. Где автор выделяет следующие виды снега:
свежевыпавший (сухой и влажный);
уплотненный лежалый (осевший сухой, осевший влажный и метелевый);
старый;
- фирнизованный (мелкозернистый, средиезернистый, крупнозернистый и
снег-плывун).
Наиболее важными свойствами снега, влияющими на способы и характер снегоочистки, автор выделяет сопротивление снега различным видам деформации, некоторые физические и фрикционные свойства. Одним из основных физических свойств снега является его плотность, оказывающая непосредственное влияние на экономичность процесса уборки. Рассматривая плотность снега, автор приводит ее зависимости от различных факторов, таких
как температура окружающего воздуха, глубина залегания снега, действующей нагрузки и т.д. При проектировании снегоочистительных средств, плотность
снега рекомендуется принимать в пределах от 100 до 600 кг/лґ.
Среди фрикционных свойств снега, учитываемых при проектировании снегоочистительной техники, автор выделяет сопротивление перекатыванию и сцепление пневматических шин с поверхностью покрытой снегом.
Сопротивление перекатыванию шин но дороге, покрытой снегом, определяется главным образом потерей энергии на деформацию снежного покрова и проскальзывание шин и определяется но формуле:
P,„ = fkGm, 0-1)
где f - коэффициент сопротивления качению, для заснеженной
J к
дороги f =0,025-0,03;
J к
Q - вес автомобиля.
Сила сцепления противодействует скольжению колеса машины
относительно дорожного покрытия и определяется по формуле:
P.,rft4G, (L2)
где f - коэффициент сцепления шин с дорогой;
J ill
Q - вертикальная нагрузка приходящаяся на ведущие колеса, П. Для
обеспечения передвижения машины сила сцепления должна быть больше тягового усилия.
В своей работе автор приводит тягово-энергетический расчет плужного снегоочистителя. Тяговое усилие необходимое для работы снегоочистителя складывается из усилия для преодоления сопротивления движению базовой машины и для преодоления сопротивления плуга. Полное сопротивление движению плуга складывается из следующих сопротивлений: трение плуга о дорожное покрытие, срезание слоя снега, отбрасывание снежной массы, перемещение снега по рабочей поверхности отвала, подъем снега по отвалу, перемещение призмы волочения. Рассматривая энергетический баланс, автор
