Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЬЛДА-Ш ИССЛЕДОВАНИЯ 7
1.1. Проблема повышения пассивной безопасности тракторов 7
1.2. Анализ методов испыта.ний защитных кабин (каркасов) колесных машин 9
1.3. Анализ методов моделирования опрокидывания тракторов 18
1.4. Выводы 22
2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ .ДАННЫХ О ДОРОШО-ТРАНСПОРТНЫХ ПРОИСШЕСТВИЯХ 25
2.1. Определение основных факторов влияющих на безопасность оператора при опрокидывании трактора 25
2.2. Методика сбора информации об опрокидываниях тракторов с шарнирно-сочлененными рамами в эксплуатации 29
2.3. Распределение случаев опрокидывания тракторов Т-І50К в эксплуатации в зависимости от различных факторов 31
2.4. Характер разрушения и деформации элементов кабины трактора Т-І50К после опрокидывания 32
2.5. Моделирование дорожно-транспортных происшествий с тракторами 34
2.6. Основные требования к треку для натурного опрокидывания тракторов с шарнирно-сочлененнои рамой 38
2.7. Выводы 39
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ НАТУРНОГО ОПРОКИДЫВАНИЯ ТРАКТОРОВ
С ШАРНИРНО-СОЯЛЕНЕННОП РАМОЙ 41
3.1. Основные предпосылки к выбору параметров трека для натурного опрокидывания тракторов с шарнирно-сочлененнои рамой 41
3.2. Зыбор параметров трека обеспечивающих опрокидывание трактора 43
3.3. выбор параметров трека, обеспечивающих приложение к кабине трактора максимальных нагрузок 58
3.4. Конструкция трека для натурного опрокидывания тракторов с шарнирно-сочлененнои рамой 63
3.5. Общие положения методики натурного опрокидывания тракторов с шарнирно-сочлененнои рамой 68
3.6. Выводы 71
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПРОКИДЫВАНИЯ ТРАКТОРА НА СКЛОНЕ 73
4.1. Анализ динамики опрокидывания трактора 73
4.2. Решение дифференциального уравнения опрокидывания трактора на склоне 80
4.3. Методика и результаты числовых расчетов опрокидывания трактора 86
4.4. Сравнение нагрузок, действующих на кабину трактора при различных видах испытаний 94
4.5. Выводы 101
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОПРОКИДЫВАНИЯ ТРАКТОРОВ С ШАРНИРНО-СОЧЛЕНЕННОИ РАМОЙ 102
5.1. Методика обработки и анализ кино грамм процесса опрокидывания трактора на треке 102
5.2. Методика оценки деформаций кабин по результатам прочностных испытаний 109
5.3. Сравнительная оценка деформаций кабин тракторов T-I50K после различных видов испытаний и дорожно-транспортных происшествий 115
5.4. Исследование динамической устойчивости на треке для натурного опрокидывания тракторов с шарнирно-сочлененнои рамой...119
5.5. Сравнение статических и динамических нагружения при прочностных испытаниях кабин 124
5.6. Результаты экспериментальных исследований направленных на улучшение конструктивных параметров кабин серийно выпускаемых тракторов T-I50K и перспективных тракторов Т-І5СЖМ 129
5.7. Расчет социально-экономического эффекта от внедрения защитной кабины, обеспечивающей зону свободного пространства при опрокидывании трактора 134
5.8. Выводы 137
6. ОБЩИЕ ЗЫЗОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 140
7. ЛИТЕРАТУРА 143
8. ПРИЛОЖЕНИЯ 159
- Проблема повышения пассивной безопасности тракторов
- Определение основных факторов влияющих на безопасность оператора при опрокидывании трактора
- Основные предпосылки к выбору параметров трека для натурного опрокидывания тракторов с шарнирно-сочлененнои рамой
- Решение дифференциального уравнения опрокидывания трактора на склоне
- Методика обработки и анализ кино грамм процесса опрокидывания трактора на треке
Проблема повышения пассивной безопасности тракторов
По данным Всемирной Организации Здравохранения (303), около IOOO человек ежедневно погибает в авариях и на дорогах мира. Количество погибших людей от ДТП достигло 300 тысяч и раненых около 8млн. человек /ИЗ/. Большое количество ДТП возникает с тракторами и тракторными поездами. Увеличение количества, выпускаемых в нашей стране тракторов ведет к росту дорожно-транспортных происшествий с ними. Так, только в 1974 году на Украине на 1,00 дорожно-транспортных происшествий с тракторами количество пострадавших составило 123 человека, из них: 41 - погибло, 72 -ранено /107/.
Увеличение случаев опрокидывания тракторов в последние годы обусловлено интенсификацией сельскохозяйственных операций, ростом энергонасыщенности и скорости движения тракторов, увеличением грузоподъемности тракторных прицепов при практически неизменной величине предельных углов статической устойчивости тракторов, включением в эксплуатацию участков земли с сильно пересеченным рельефом и более широким использованием тракторов в лесном хозяйстве и промышленном строительстве.
Дорожно-транспортные происшествия происходят по причине низкой квалификации операторов, неправильно подобранной технологии обработки сельскохозяйственных культур, нарушения правил дорожного движения, а также конструктивных недостатков тракторов.
Для уменьшения влияния этих недостатков на безопасность движения в нашей стране и за рубежом введены требования безопасности в отношении конструкции при проектировании новых и модернизации выпускаемых тракторов.
Понятие безопасность конструкции трактора включает в себя активную (конструктивные мероприятия, направленные на предупреждение опрокидывания тракторов) и пассивную (конструктивные мероприятия, исключающие или сводящие к минимуму последствия аварий для операторов). Наибольший эффект по обеспечению безопасности дает применение обеих указанных мер. Несмотря на большой объем теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в этом направлении, новые конструктивные решения мобильных машин требуют проведения специальных, учитывающих компоновочные особенности машин,исследований для нахождения оптимальных решений по повышению безопасности труда оператора.
Реализация большого числа мероприятий, направленных на повышение активной безопасности, из-за многообразия условий эксплуатации и психофизиологических особенностей оператора, не предотвращает случаев опрокидывании. Поэтому в последние годы интенсивно проводятся исследования по повышению и пассивной безопасности.
Исследования пассивной безопасности за рубежом и в нашей стране ведутся по следующим направлениям:
экспериментальные методы, включающие лабораторные и полигонные испытания, имитирующие различные виды опрокидывании;
аналитические методы, предусматривающие создание математических моделей, с помощью которых исследуется процесс опрокидывания тракторов и тракторных поездов;
биомеханические методы исследований телесных повреждений операторов для определения толерантности человеческого организма;
методы натурного обследования и анализа причин дорожно-транспортных происшествий;
методы предусматривающие применение физических моделей уменьшенного масштаба при испытании на динамические и статические нагрузки, имитирующие реальные.
Определение основных факторов влияющих на безопасность оператора при опрокидывании трактора
Обеспечение безопасности оператора при опрокидывании трактора является сложной комплексной проблемой, которая объединяет три фактора, оказывающих влияние на количество и последствия дорожно-транспортных происшествий: оператор - местность - трактор.
Основной причиной ДТП в настоящее время является низкая надежность работы человека в системе "оператор - местность - трактор", что не позволяет исключить вероятность появления ДТП. Все это заставляет для снижения числа травмированных операторов конструировать трактор таким образом, чтобы иметь возможность предупредить травмирование оператора во время ДТП.
Статистика аварийных случаев показывает, что опрокидывание тракторов,не оборудованных специальными защитными устройствами, в большинстве случаев ведет к тяжелым травмам или смерти оператора /150/.
Технические предупредительные меры и мероприятия организационного характера повышают безопасность, но не решают полностью проблемы безопасности оператора. К техническим предупредительным мерам следует отнести прежде всего увеличение колеи, оборудование трактора сдвоенными шинами, а прицепов тормозами. К мероприятиям организационного характера относятся -улучшение подготовки операторов, особенно практической езде в трудных условиях (в горной местности и т.д.), повышение дисциплины труда и предотвращение нарушений режима и технологии выполнения сельскохозяйственных операций.
Основными требованиями пассивной безопасности к конструкции трактора являются:
сохранение зоны свободного пространства оператора в кабине трактора при ДТП;
снижение перегрузок действующих на оператора при ДТП;
недопустимость выпадения из кабины трактора оператора при ДТП и обеспечение возможности эвакуации его после ДТП;
исключение возможности травмирования оператора предметами, перемещающимися внутри кабины при ДТП.
Для повышения пассивной безопасности конструкций тракторов с шарнирно-сочлененной рамой необходимо проведение следующих работ:
уточнение требований и норм по безопасности к конструкции трактора;
разработка методов прочностных испытаний кабин, которые адекватно воспроизводят реальные условия ДТП;
внедрение действенного контроля мероприятий по повышению пассивной безопасности.
Исходными данными для решения вопроса о методах защиты оператора являются следующие данные:
кинематика опрокидывания тракторов;
скорость движения тракторов перед опрокидыванием;
крутизна поверхности склона;
дорожные условия в момент опрокидывания;
влияние навесного или прицепного оборудования на опрокидывание трактора;
положение оператора после опрокидывания трактора;
характер травм, получаемых оператором при опрокидывании трактора;
деформация кабины после ДТП.
class3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ НАТУРНОГО ОПРОКИДЫВАНИЯ ТРАКТОРОВ
С ШАРНИРНО-СОЯЛЕНЕННОП РАМОЙ class3
Основные предпосылки к выбору параметров трека для натурного опрокидывания тракторов с шарнирно-сочлененнои рамой
Выбор и расчет основных параметров трека производился таким образом, чтобы воспроизвести в процессе испытаний характерные условия опрокидываний тракторов в эксплуатации и, кроме того, подвергнуть кабину максимально возможным и в тоже время реальным нагрузкам при ударе о почву. Для этого необходимо определить следующие основные параметры трека:
f- угол между горизонтом и поверхностью склона; й- угол схождения продольных осей трамплина и склона; hz- высоту упора, ограничивающего сползание трактора на склоне;
f\b- высоту падения трактора; ft - высоту направляющего столба; ftH высоту установки ограничивающих упоров. Обоснование параметров трека осуществлялось согласно схеме, приведенной на рис.3.1 в следующей последовательности:
I этап - разработка требований к треку для натурного опрокидывания тракторов исходя из анализа ДТП;
II этап - выбор параметров трека, обеспечивающих опрокидывание трактора;
III этап - выбор параметров трека, обеспечивающих приложение к кабине трактора максимальных нагрузок.
Выбор параметров трека производился с учетом следующих условий и допущений:
опрокидывание осуществляется на правый бок в процессе прямолинейного движения со скоростью от 10 до ЗОкм/час;
энергия удара при падении трактора на почву воспринимается верхним углом кабины и гасится за счет упругой и пластической деформации кабины и каркаса;
определяющей при движении трактора является передняя секция, т.е. равновесие трактора нарушается после отрыва от поверхности трека переднего левого колеса;
деформация шин и опорной поверхности в процессе движения трактора по треку не учитываются;
изменение угла наклона трактора за счет упругости рессор не учитывается;
скольжение шин по наклонным бетонным плитам отсуствует;
влияние люфтов в соединениях, а также момент трения в горизонтальном шарнире рамы не учитываются.
Для выбора параметров трека, обеспечивающих опрокидывание, необходимо оценить динамическую устойчивость тракторов с различными конструктивными параметрами в зависимости от условий опрокидываний. Одним из методов, с помощью которого можно произвести оценку динамической устойчивости трактора, является энергетический. Сущность метода состоит в том, что в процессе опрокидывания трактора устойчивость оценивают по затрачиваемой на это работе (энергии).
Решение дифференциального уравнения опрокидывания трактора на склоне
Приведенные выше формулы дают математическое определение положения трактора, как функции времени, с учетом изменения ряда параметров: размеров и массы трактора, возникающего при опрокидывании моментА инерции, высоты ]& угла падения трактора, коэффициента трения между кабиной и грунтом и т.п.
В результате числовых расчетов получены зависимости перемещений и скоростей движения, усилий прилагаемых к каркасу кабины от времени опрокидывания трактора на склоне. В начале расчетов определяется угол наклона трактора, в конце первого этапа опрокидывания, зная котшй можно определить продолжительность первого этапа, а также углы наклона трактора и угловую скорость на первом этапе опрокидывания. Продолжительность второго этапа определяется из условия, что в конце этапа угловая скорость равні нулю.
Анализ уравнений показывает, что на кинематику и динамику опрокидывания оказывают влияние следующие факторы:
ft - высота центра тяжести трактора;
а - ширина кабины в верхней её части (над капотом);
п - ширина кабины в верхней её части (над дверью) ;
6 - ширина колеи трактора;
і - ширина колес трактора;
М- масса трактора;
jfA - момент инерции трактора;
fct - угол склона, на котором.происходит опрокидывание;
ftb- высота падения трактора;
S7 )Wt- коэффициент трения между кабиной и грунтом;
Ск - жесткость кабины;
И- высота трактора;
п.- коэффициент объемного сжатия грунта.
Полученные уравнения дают возможность варьировать 13 параметрами, характеризующими конструктивные особенности трактора, местность на которой происходит опрокидывание и взаимодействие трактора с местностью.
На первом этапе опрокидывания на угол поворота и угловую скорость трактора оказывают влияние большинство факторов включенных в модель. Исключение составляют коэффициенты объемного сжатия грунта, трения между кабиной и грунтом, жесткости кабины, а также ширина кабины. в верхней, её части (над дверью).
Методика обработки и анализ кино грамм процесса опрокидывания трактора на треке
Обработка кинограмм опрокидывания трактора на треке производилась путем качественного и колличественного анализа/91,93/. Качественный анализ осуществлялся при помощи 16мм кинопроекционной установки "Украина" и позволял выделить в исследуемом процессе.последовательные фазы, характеризующие опрокидывание трактора. Количественный анализ, осуществлялся при помощи комплекта кинодешифровальной апаратури и позволял изучить закономерности, характеризующие фазы последовательных.перемещений трактора при натурном опрокидывании. 3 комплект кинодешифровальной аппаратуры входили: графоаналитический дешифратор "Декарт", кинопроекционное устройство и штативы.
Съемка процесса опрокидывания трактора T-I50K на треке производилась_при помощи.следующих моделей кинокамер: Киев-1бС; Красногорск-3; CKC-IM-I6.
Киносъемка кинокамерами Киев-1бС.и Красногорск-3 производилась со скоростью 64 и 48 кадров в секунду, что позволяло при воспроизведении на экране получать замедление процесса опрокидывания соответственно равное 2....2,6 раза. Киносъемка скоростными кинокамерами CKC-IM-I6 процесса опрокидывания трактора на треке со скоростью 150...800 кадров в секунду позволяла получить степень замедления порядка 6...30. раз, что, как показали исследования, вполне достаточно для детального изучения исследуемого процесса.
Для синхронизации работы киносъемочной аппаратуры , ис пользуемой в эксперименте, составлялась электрическая схема, предусматривающая параллельное включение кинокамер. С целью обеспечения последующей расшифровки кинограмм устанавливались неподвижные элементы (реперы), служащие для ориентации последовательных положений трактора на экране кинодешифратора. В качестве реперов применялись вешки длиной 1,5...2м с чередующейся разметкой (белой и красной), длиной 0,2м, которые устанавливались на расстоянии один метр друг относительно друга перпендикулярно и параллельно к участку разгона опрокидываемого трактора. При этом обращалось внимание на то, чтобы в объективе кинокамеры находилось не менее двух реперов и чтобы плоскость установки реперов была строго перпендикулярна оптической оси объектива кинокамеры .
В результате проведенного анализа исследуемый процесс был разбит на три.фазы:
. 1-я фаза. От отрыва заднего левого колеса от опорной поверхности трека до выхода центра тяжести трактора на одну вертикаль с точкой опоры переднего правого колеса. При этом справедливо .соотношение где 2Men» т сумма моментов сил стремящихся опрокинуть трактор; МСТ - сумма моментов сил, стремящихся вернуть трактор в исходное положение.
2.-я. фаза. От перехода трактора из положения неустойчивого равновесия (ZMonp Мс1») до соприкосновения кабины с грунтом.
3-ья фаза. Удар кабины о грунт. Деформация кабины и окон - ІОЧ чательная остановка трактора.
