Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Особенности эксплуатации автомобилей в условиях холодного климата
1.1. Природно-климатические условия Республики Саха (Якутия) 8
1.2. Дорожные условия 18
1.3. Технические условия эксплуатации 21
ГЛАВА II. Исследование надежности автомобиля камаз
2.1. Выбор объекта исследования 25
2.2. Влияние природно-климатических факторов на техническое состояние транспортных средств 26
2.3. Определение деталей, лимитирующих надежность автомобиля КамАЗ .л.: : 32
2.4. Влияние климатических факторов на надежность автомобиля КамАЗ и его элементов 37
2.5. Влияние природно-климатических факторов и пробега автомобиля на наработку на отказ деталей КамАЗ 40
2.6. Наработка на отказ деталей, лимитирующих надежность 52
ГЛАВА III. Оценка влияния надежности автомобилей на безопасность
3.1. Анализ аварийности в Республике Саха (Якутия) 69
3.2. Техническое состояние транспортных средств в системе «дорожное движение» 82
3.3. Основные виды неисправностей автомобилей 93
3.4. Оценка степени влияния природно-климатических факторов на безопасность методом пошаговой множественной регрессии 98
3.5. Влияние параметров надежности автомобилей КамАЗ на безопасность дорожного движения 108
3.6. Метод оценки влияния надежности автомобилей на безопасность дорожного движения 111
ГЛАВА IV. Мероприятия по повышению надежности и безопасности автомобилей камаз
4.1. Причины возникновения неисправностей автомобиля КамАЗ 120
4.2. Рекомендации по повышению надежности и безопасности автомобилей КамАЗ 126
Выводы 130
Список литературы
- Дорожные условия
- Влияние природно-климатических факторов на техническое состояние транспортных средств
- Оценка степени влияния природно-климатических факторов на безопасность методом пошаговой множественной регрессии
- Рекомендации по повышению надежности и безопасности автомобилей КамАЗ
Введение к работе
Актуальность работы. Повышенные требования ко всем видам техники, эксплуатируемой в районах холодного климата, обусловлены суровыми природно-климатическими условиями региона. Несоответствие применяемой техники требованиям эксплуатации в условиях Севера, вызывает снижение экономической эффективности от ее применения. Проблема обеспечения надежности различных видов техники в суровых климатических условиях в достаточной степени не решена. Все еще продолжают иметь место случаи отказов и разрушения деталей и узлов машин, обусловленные низкими климатическими температурами.
Неисправности и внезапные отказы автомобилей, участвующих в дорожном движении, нередко приводят к дорожно-транспортным происшествиям (ДТП), последствия которых характеризуются гибелью и ранением людей, материальным ущербом от повреждения транспортных средств, грузов, дорожных или иных сооружений, выплатой пособий по инвалидности и временной нетрудоспособности и т.д. Существенная роль в ДТП принадлежит недостаткам конструкции транспортных средств и их техническому состоянию, изменяющемуся в процессе эксплуатации. Происшествия из-за технических неисправностей автомобилей сопровождаются наиболее тяжкими последствиями. Поэтому актуальной является задача повышения надежности транспортных средств при эксплуатации в условиях низких климатических температур с целью снижения риска возникновения ДТП.
Целью работы является установление закономерностей влияния надежности КамАЗ на безопасность дорожного движения в условиях Севера.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
-выявить системы, узлы и детали, лимитирующие надежность автомобиля КамАЗ в условиях холодного климата; -определить наиболее важные природно-климатические факторы и установить степень их влияния на детали, лимитирующие надежность основных систем автомобиля КамАЗ в условиях Республики Саха (Якутия); -создать математическую модель оценки влияния надежности на безопасность дорожного движения при эксплуатации автотранспортных средств в условиях Севера; -разработать организационно-технические мероприятия по повышению надежности автомобилей КамАЗ при эксплуатации в условиях низких климатических температур. Объектом исследования является изменение показателей надежности систем, узлов и деталей, влияющих на безопасность дорожного движения в условиях реальной эксплуатации автомобиля КамАЗ.
Научная новизна состоит в том, что установлены численные значения параметров надежности систем, агрегатов и узлов, лимитирующих безопасность автомобиля КамАЗ в условиях реальной эксплуатации; разработана математическая модель, описывающая закономерности—влияния—параметров—надежности—на—безопасность— дорожного движения в условиях Севера.
Практическая ценность работы заключается:
в^разработке метода^с помощью которого ^возможно оценить эффективность реализуемых мероприятий по повышению надежности и сделать прогноз по динамике изменения показателей безопасности дорожного движения;
в разработке организационно-технических мероприятий, направленных на повышение надежности транспортных средств в условиях холодного климата;
в возможности использования результатов исследования на стадии проектирования автотранспортных средств, а также при формировании транспортного парка, с учетом региональных факторов.
Реализация результатов работы. Выявленные закономерности влияния температуры воздуха на параметры потока отказов деталей и узлов предлагается использовать для контроля технического состояния транспортных средств в Управлении «Алмаздортранс» АК «Алмазы России-Саха», а также при подготовке к проведению Государственного технического осмотра автотранспортных средств. Разработанный метод оценки безопасности дорожного движения предложен к внедрению в Управлении Государственной инспекции безопасности дорожного движения (ГИБДД) МВД Республики Саха (Якутия).
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на семинарах кафедры «Машиноведения» педагогического института при ЯГУ, в ИФТПС, на республиканских научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов (1996, 1998, 1999гг. Якутск), на семинарах-конференциях Якутского филиала Сибирского Научного центра Российской Академии транспорта (1996, 1997, 1999гг. Якутск); отмечены дипломом на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Техника Севера» (1999 г. Якутск).
Публикации: основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 6 научтшх публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 139 страниц машинописного текста, в том числе 22 таблицы, 65 рисунков, 1 приложение, список литературы из 141 наименования.
Дорожные условия
ветра Для оценки природно-климатических факторов введено понятие жесткость климата. Под жесткостью климата понимают неблагоприятное воздействие природно-климатических факторов на технику и человеческую деятельность. В метеорологии суровость (жесткость) климата (S) принято оценивать в баллах [43, 71, 82, 101]. В [85] Г.С. Лосавио предложил для оценки суровости климата воспользоваться эмпирической формулой: (1.1) где А - эмпирический температурный коэффициент; t - температура воздуха, С; а - эмпирический ветровой коэффициент (эмпирический коэффициент характеризующий влияние ветра); и - скорость, м/с; р - эмпирический коэффициент влияния влажности на эксплуатацию машин; f - абсолютная надежность; у - коэффициент влияния радиации; R - суммарная радиация; 8 -коэффициент барометрического давления; р - барометрическое давление для высокогорных районов, кг/см2; А - коэффициент перевода разноразмерных величин, вошедших в формулу, в безразмерные.
Для 1 подзоны северной климатической зоны по ГОСТ 16350 - 80 [32] средняя годовая суровость от 3,5 до 4,6 баллов, максимальная 5,3 - 7,8. Для Москвы (4 подзона северной климатической зоны) средняя годовая суровость 1,9, а максимальная 3,3 балла.
В [108] на основе обработки и анализа данных о параметрах потока отказов машин в зависимости от основных климатических факторов предложена формула для определения технической жесткости холодного климата в баллах: NK = (0,75Wc + 0,25Wa6c (l + 0,015ох) 0 + 0,07DX) (1 + 0,26Фх) (1 + 0,014п,м.) (1 + 0,022тх), (1.2) где tmuLcp. - среднее значение средних минимальных температур воздуха за три наиболее холодных месяца, С; W ec. - среднее значение абсолютного минимума температуры воздуха за три наиболее холодных месяца, С; ах -средняя непериодическая амплитуда суточных колебаний температуры воздуха за три наиболее холодных месяца, С; их - средняя скорость ветра за три наиболее холодных месяца, м/с; срх - среднее значение относительной влажности воздуха за три наиболее холодных месяца в долях единицы; птм -среднее значение за месяц числа дней с туманами и метелью за три наиболее холодных месяца; тх - продолжительность действия в месяцах средней температуры воздуха ниже нуля.
По формуле 1.2 техническая жесткость климата района 1а оценивается от 95 до 135 баллов. Выделяются наиболее жесткий холодный климат в районе пос. Оймякон (до 165 баллов) и маложесткий - район Средней Азии и Кавказа (от 0 до 24 баллов).
При оценке приспособленности автомобилей к условиям эксплуатации в предложены многофакторные модели адаптивности автомобилей и установлены закономерности влияния низких температур окружающего воздуха на температурный режим агрегатов трансмиссии, топливную экономичность автомобилей и долговечность двигателей [ПО].
В [43] отмечается, что "до сих пор актуален вопрос разработки единых научно обоснованных показателей жесткости холодного климата с учетом изменения показателей работоспособности техники и свойств применяемых материалов, что даст возможность разработать конкретные требования по конструированию и созданию техники Севера".
Общим для всех работ является то, что Республики Саха (Якутия) относится к территориям с наиболее суровым климатом. К сожалению в работах нет графиков изменения жесткости климата от месяца эксплуатации, не достаточно обоснованы коэффициенты по которым учитывают те или иные природно-климатические факторы, тем более, что на разные агрегаты или узлы степень их влияния различна.
Основной особенностью климата Республики Саха (Якутия) является резкая его континентальность, проявляющаяся в больших годовых колебаниях температуры и относительно малом количестве выпадающих осадков. В самых холодных местах температура воздуха понижается до - 71 С, а в центральных районах до - 64С. На севере республики температуры ниже 0С составляют 255-260 дней, в центральных районах - 205-220 дней. Разность средних температур июля и января составляет на юге 50С, на северо-востоке 60С. Годовая амплитуда абсолютного минимума и максимума температуры достигает 104С. По зимним температурам и годовым амплитудам температуры Якутия не знает аналогов в Северном полушарии. Наибольшая относительная влажность воздуха в 13 часов отмечается в период с декабря по февраль (70-73%), что соответствует минимуму температуры воздуха. Наиболее характерным процессом зимнего периода является образование области повышенного давления. Давление воздуха в Центральной Якутии в январе-феврале повышается до 771-772 мм.рт.ст.
Основными климатообразующими факторами являются [4, 18, 28]: приходо-расход лучистой энергии Солнца (радиационные факторы климата), перенос тепла и влаги воздушными массами (циркулярные факторы климата) и характер земной поверхности, влияющий на трансформацию, преобразование первоначальных свойств масс воздуха (рельеф, водоемы, растительный покров и пр.).
Влияние природно-климатических факторов на техническое состояние транспортных средств
С понижением температуры снижается среднее время безотказной работы машин и механизмов.
Известно, что низкие температуры изменяют физико-механические свойства материалов и ухудшают условия работы машин, вызывают попадание снега в механизмы и узлы и обледенение. Все это, в свою очередь, приводит к снижению несущей способности отдельных элементов и появлению дополнительных нагрузок. Выполнение любых работ по обнаружению и устранению отказов при низких температурах требует значительно большего времени по сравнению с эксплуатацией машин в условиях положительных температур. Среднее время восстановления увеличивается, снижая, таким образом, один из показателей надежности - ремонтопригодность.
Погодные условия и климатические факторы существенно влияют на системы автомобиля, обеспечивающие надежность и безопасность их работы [25, 58, 83, 140]. Работы по исследованию влияния низких температур на изменение показателей надежности автомобилей, ведутся многими авторами и организациями. Г.С. Лосавио [84, 85] утверждает, что износ холодных двигателей в процессе пуска составляет 50-70 % от общих эксплуатационных износов. Проведенными исследованиями установлена существенная температурная зависимость основных показателей надежности: поток отказов деталей и узлов большинства марок автомобилей в зимнее время возрастает в 1,5 - 2,5 раза по сравнению с летним; наработка на отказ и коэффициент готовности из-за хрупких поломок деталей уменьшается в 3 и более раз; фактический срок службы сокращается по сравнению с нормативным в 2 - 3 раза [41, 42, 43, 56, 58, 59]. Наиболее часто подлежат замене или ремонту детали ходовой части и число поломок рессор (1/100 тыс. км. пробега) достаточно тесно корректируется со снижением среднемесячной температуры окружающего воздуха [78, 81, 108, 133]. Главной причиной увеличения параметра потока отказов машин в зимние месяцы являются хрупкие разрушения деталей и элементов металлических конструкций. Эти разрушения - следствие перехода металла деталей из вязкого в хрупкое состояние при определенных низких температурах (возникновение низкотемпературной хрупкости металлов). Одинаковые условия эксплуатации могут по-разному действовать на одноименные элементы автомобилей разных марок и моделей. Так, при отрицательных температурах воздуха вероятность отказов рессор по сравнению с летним периодом эксплуатации у автомобиля ЗИЛ-130 увеличивается в 1,2 раза, а у автомобиля КрАЗ-255 - в 1,7 раза [41].
Охлаждение элементов машин, эксплуатируемых на открытом воздухе в наземных условиях, происходит в результате их теплообмена с окружающим холодным воздухом. Поэтому в отношении влияния отрицательных температур на эти машины применим термин "влияние низких температур воздуха"[43].
Низкие температуры воздуха весьма существенно влияют на свойства конструктивных и эксплуатационных материалов и на надежность машин. Они действуют на машины непосредственно, ухудшая основные физико-механические свойства конструкционных и эксплуатационных материалов, и косвенно - ухудшая условия работы машин вследствие попадания снега в открытые механизмы, образования инея, наледей и др.
В наиболее неблагоприятных условиях с точки зрения надежности при низких температурах находятся агрегаты трансмиссии; коробка передач и задние мосты. Исследования подтверждают, что наибольший износ шестерен главной передачи и коробки передач относится к условиям низких температур масла. Оптимальной температурой масла в этих агрегатах считается 60...80С. По данным А. И. Яговкина, с изменением температуры масла от +80 до 0С интенсивность изнашивания шестерен коробки передач и заднего моста увеличивается в 8-10 раз [140].
Влияние низких и высоких температур на свойства материалов в большинстве случаев носит диаметрально противоположный характер. Кроме того, быстрое изменение этих температур (в течение суток или нескольких часов) увеличивает эффект вредного их воздействия на машины.
При резком изменении температуры воздуха происходит неравномерное охлаждение или нагрев массивных деталей машин, что вызывает дополнительные напряжения в материале. Наибольшие напряжения возникают при резком охлаждении деталей.
В результате резких изменений температуры на защитных лаковых покрытиях образуются трещины. При разных температурах расширениях материалов происходит их расслоение, и вследствие этого отслаивание, шелушение и удаление слоя краски с металлических поверхностей.
При значительных изменениях температуры ухудшается работа карбюраторных двигателей. При низких температурах, при недостаточном утеплении моторного отсека, происходит оледенение карбюратора.
Не менее значимой причиной отказов машин является воздействие инея, гололеда, метелей. Иней, оседая на материалах, не оказывает существенного влияния на их структуру. В то же время, проникая в трещины и крупные поры изоляционных материалов, иней может значительно снизить их удельное электрическое сопротивление. Оседая толстым слоем на неизолированных электрических проводниках, иней уменьшает воздушный диэлектрический промежуток между этими проводниками, что может вызывать замыкание проводников.
Гололед вызывает образование слоя льда на поверхности материалов, а у гигроскопических влажных материалов, кроме того, образование частичек льда в порах, что снижает электрическое сопротивление этих материалов. В последнем случае наиболее опасна гололедица, возникающая после оттепели и дождя при резком похолодании.
При метелях снег заносится в самые труднодоступные, и, казалось бы, хорошо укрытые места машин. В результате во многих случаях снег оказывает воздействие на материалы и устройства машин, которые в большинстве случаев на это не были рассчитаны.
Оценка степени влияния природно-климатических факторов на безопасность методом пошаговой множественной регрессии
Надежность начинается с отказов: с того, когда они появляются, какие они, к каким приводят последствиям и т.п. Отказы, отражающие определенные изменения в элементах автомобиля и происходящих в нем процессах, делятся по частоте возникновения в изделии данного наименования на несистематические и систематические. Систематическими считают отказы, появления которых можно ожидать в различных образцах данного изделия. Предметом теории надежности являются систематические отказы. Однако в автомобилях есть один вид несистематических отказов, которые заслуживают отдельного рассмотрения. Это дорожно-транспортные происшествие, опасное тем, что его последствия предсказать нельзя, а грозит оно любыми тяжкими последствиями для людей , для самого автомобиля и перевозимого груза.
Если даже ДТП приводит лишь к легким повреждениям, просто ушибам людей, последствия его для надежности автомобиля могут быть более серьезными. Очень часто даже легкие ДТП сопровождаются остаточными деформациями кузова, рамы, других базовых элементов, определяющих ресурс до выхода автомобиля в предельное состояние - капитальный ремонт. Во многих случаях деформации базовых деталей не могут быть полностью устранены, а автомобиль остается в эксплуатации. Последствия этого со временем сказываются, долговечность автомобиля значительно снижается - он выходит в капитальный ремонт, далеко не выработав нормативный ресурс.
За период с 1989 по 1996 г. в России произошло более 1450 тысяч ДТП, в которых погибли и получили ранения около 2 млн. человек [6, 47]. Такие цифры позволяют отнести дорожно-транспортную аварийность к числу одной из серьезнейших социально-экономических проблем в России. Так, по ориентировочным подсчетам, только в 1996 году экономический ущерб от гибели и ранения людей в ДТП в России достиг 100 триллионов рублей, что составляет 4-5 % от валового национального продукта. Размер потерь от дорожно-транспортной аварийности в России является одним из самых высоких в мире. В большинстве зарубежных стран ежегодные потери от аварийности на автомобильном транспорте составляют 1-3 % от валового национального продукта [13].
Сравнение уровня автомобилизации в России с экономически развитыми странами Европы и Северной Америки показывает, что Россия пока еще значительно отстает от них по уровню автомобилизации. Однако, Россия обгоняет эти страны по темпам прироста автомотопарка. Численность автомотопарка и уровень автомобилизации в России за 1992 - 1996 годы показывает ежегодное увеличение этих показателей на 5 %. При этом прирост численности автомотопарка в России за последние 5 лет достигался, в основном, за счет легковых автомобилей: ежегодно количество легковых автомобилей в этот период увеличивалось не менее чем на 1 миллион. В условиях высоких темпов автомобилизации проблема обеспечения безопасности дорожного движения в Российской Федерации станет в ближайшие 5-15 лет чрезвычайно актуальной. Сейчас на тысячу жителей России приходится более 100 автомобилей. По опыту промышленно развитых стран, Россия вступает в стадию взрывного роста ДТП, которая будет продолжаться до достижения уровня 300-400 автомобилей на тысячу человек [114]. Чтобы обеспечить безопасность дорожного движения в этих условиях на уровне развитых зарубежных стран, необходимо знать, как изменяются уровень и структура дорожно-транспортной аварийности с развитием автомобилизации. С этой точки зрения особенно важно сравнить состояние и особенности дорожно-транспортной аварийности в России и зарубежных странах.
Сравнительный анализ дорожно-транспортной аварийности в России и в 12 зарубежных странах по шести основным относительным показателям показал, что по уровню аварийности место России среди этих стран является по различным показателям неоднозначным (табл.3.1). Так по показателям количества дорожно-транспортных происшествий и раненых в них Россия укладывается в международные стандарты допустимого уровня безопасности дорожного движения. По количеству же погибших в ДТП Россия выходит за рамки международных стандартов безопасности и имеет самый высокий уровень риска населения погибнуть в дорожно-транспортном происшествии, а также значительно превышающие средние значения количества погибших на 10 тысяч транспортных средств. Показатели количества погибших на 100 пострадавших в ДТП и количества погибших в 100 ДТП Россия, - являются одними из самых высоких по сравнению с другими зарубежными странами (табл. 3.2).
Рекомендации по повышению надежности и безопасности автомобилей КамАЗ
Основным дефектом, явившихся причиной ДТП для грузовых автомобилей авторы выделяют тормозную систему. Для легковых автомобилей наиболее часто встречающимися дефектами, явившимися причинами ДТП, являются шины и колеса, тормозная система.
Более половины неисправностей, которые привели к возникновению ДТП, были известны водителям или могли быть устранены в процессе визуального осмотра при выходе на линию. Это становится возможным в результате отсутствия или ослабления контроля технического состояния транспортных средств на автотранспортных предприятиях. Появилось множество частных и малых предприятий с небольшим количеством автотранспорта, где контроль технического состояния, ремонт и техническое обслуживание транспортных средств проводится водителями. В большинстве случаев контроль бывает только внешний, при этом практически не используются средства технического контроля.
Данные об аварийности могут быть использованы для оценки влияния конструктивной безопасности транспортных средств на вероятность возникновения дорожно-транспортных происшествий и снижения тяжести их последствий. Под конструктивной безопасностью принято понимать совокупность эксплуатационных качеств, условно подразделяемых на 3 основные группы и относящихся к активной, пассивной и послеаварийной безопасности. Активная безопасность автомобиля характеризуется такими его свойствами, которые позволяют избежать возникновения происшествий. Среди них основную роль играют тормозные качества, устойчивость, управляемость, работа сигнализации и некоторые другие факторы. По результатам исследований проведенных в США и Европе 10% дорожно-транспортных происшествий можно избежать применяя антиблокировочную систему тормозов (АБС), на сыром и скользком покрытии позволит сократить число аварий уже на 20% [97].
Пассивная и послеаварийная безопасность транспортных средств, как известно, реализует функцию снижения ущерба, уменьшения опасности воздействия как самого транспортного средства, так и его отдельных элементов на людей в ситуациях, когда уже отсутствует возможность предотвращения ДТП. И здесь изучение обстоятельств конкретных ДТП позволяет выяснить обширный круг вопросов, связанных с совершенствованием травмобезопасности элементов конструкции транспортных средств, повышением их устойчивости к воспламенению.
Конструкции автомобилей, выпускаемых отечественной автомобильной промышленностью, не предусматривают в стандартной комплектации установку подушек безопасности, АБС, автоматически натягивающихся ремнях безопасности и т.д. Данное оборудование может быть установлено дополнительно на легковых автомобиля с частичным изменением элементов конструкции. Грузовые автомобили, выпускаемые в странах бывшего СССР, не оборудуются ремнями безопасности, что отчасти объясняет высокую смертность при ДТП среди водителей грузовиков. Несмотря на то, что зимний и переходные периоды на значительной части территории России составляют более половины года, шины, предназначенные для езды в зимнее время, а также шипованные шины на большинстве автомобилей не используется.
Отечественные грузовые автомобили имеют существенные недостатки в конструктивной безопасности в отличии от легковых, хотя и легковые далеки от общепринятых международных стандартов. На современных конструкциях легковых автомобилей могут устанавливаться системы и приборы повышающие активную, пассивную и послеаварийную безопасность, чего не предусмотрено для грузовых.
С целью оценки влияния метеорологических факторов на вероятность отказов и других параметров надежности узлов и систем автомобилей при эксплуатации в зоне климатически низких температур, проведен анализ более 22000 карточек учета дорожно-транспортных происшествий, зарегистрированных в Республике Саха (Якутия) с 1980 по 1998 годы. Как отмечалось выше, из всего массива статистических данных по ДТП были выделены дорожные происшествия с грузовыми автомобилями из-за технических неисправностей транспортных средств, так как этот вид транспортных средств наименее подвержен сезонным колебаниям интенсивности движения. Грузовые автомобили, в отличии от легковых автомобилей эксплуатируются практически круглогодично, частично снижаются объем перевозок грузов и грузооборот в переходные периоды времен года - периоды распутицы, ледохода и ледостава.
Дорожно-транспортные происшествия были распределены по местам и времени совершения. По месту и времени были выбраны данные, представленные в ежемесячных метеорологических справочниках. Для анализа были выбраны следующие климатические факторы: средняя температура воздуха tB03A,cp., средняя максимальная температура воздуха tmax,cp., средняя минимальная температура воздуха tmj cp., абсолютный минимум температуры воздуха tmin ec., парциальное давление водяного пара, относительная влажность, точка росы, атмосферное давление, количество осадков.
В результате анализа числа ДТП от метеорологических факторов составлена корреляционная матрица коэффициентов оценки влияния природно-климатических факторов на ДТП (табл.3.9).
Так как при анализе использовались несколько метеорологических факторов, то для продолжения исследований необходимо было определить наиболее значимые из них. Для определения значимых природно-климатических факторов был применен метод пошаговой множественной регрессии [119].
