Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Характеристики почвенно-грунтовых поверхностей (пгп) и зависимости взаимодействия с ними штампов-движителей
1.1. Значения и зависимости изменения, основных физико-механических и геометрических показателей ПГП 16
1.1.1. Несвязные и связные грунты 18
1.1.2. Торфяные грунты 28
1.1.3. Снег 33
1.2. Деформация почвенно-грунтовой поверхности под нагрузкой 37
1.2.1. Вертикальная деформация почвенно-грунтовой поверхности под нагрузкой 38
1.2.1.1. Распределение напряжений сжатия по глубине 46
1.2.1.2. Вертикальная деформация сжатия-уплотнения 51
1.2.1.3. Вертикальная деформация сдвигов 59
1.2.1.4. Полная вертикальная деформация почвенно-грунтовой поверхности 71
1.2.2. Горизонтальная деформация почвенно-грунтовой поверхности под нагрузкой 77
1.2.3. Влияние дополнительных факторов на деформацию почвенно-грунтовой поверхности 95
1.2.3.1. Влияние времени действия и числа приложений нагрузки... 96
1.2.3.2. Влияние формы и жесткости штампа на контактную эгаору 99
1.2.3.3. Влияние формы штампа в вертикальной плоскости на его осадку 108
Выводы 115
ГЛАВА 2. Взаимодействие одиночного колесного движителя с опорной поверхностью
2.1. Основные технические характеристики колесного движителя.. 117
2.2. Математическая модель качения эластичного КД по твердой ОП с его непосредственным скольжением 123
2.3. Криволинейное движение колесного движителя: но твердой опорной поверхности 149
2.4. Прямолинейное движение колесного движителя по деформируемой ОП 187
2.4.1. Определение поверхности контакта колесного движителя с деформируемой ОП 189
2.4.2. Распределение нормальных и касательных напряжений 195
2.4.3. Уравнения равновесия и метод прогнозироваїшя опорной проходимости одиночного КД при прямолинейном движении 199
2.4.4. Расчет параметров движения КД при интенсивном буксовании и экскавации фунтовой массы из зоны контакта 211
2.4.5. Оценка точности расчета параметров опорной проходи мости КД 218
2.4.6. Последовательное движение колесных движителей по одной колее 223
2.5. Криволинейное движение колесного движителя но ДОП 234
2.5.1. Криволинейное движение одиночного колесного движителя по деформируемой ОП 234
2.5.2. Последовательное криволинейное движение колесного движителя по деформируемой ОП 247
Выводы. 251
ГЛАВА 3. Взаимодействие колесного транспортного средства с деформируемой опорной поверхностью
3.1. Прямолинейное движение колесного транспортного средства по деформируемой ОП 255
3.1.1. Расчетная схема и уравнения прямолинейного движения КТС по деформируемой опорной поверхности 255
3.1.2. Метод прогнозирования опорной проходимости КТС при прямолинейном движении 258
3.1.3. Анализ расчетных и экспериментальных характеристик опорной проходимости КТС 267
3.1.4. Влияние конструктивных параметров КТС на характеристики опорной проходимости при і ірямолинейном движении 291
3.1.4.1. Влияние параметров ходовой части 295
3 J А2. Влияние законов распределения силового потока по колесным движителям 308
3.2. Криволинейное движение колесного транспортного средства по деформируемой ОП 312
3.2.1. Расчетная схема, уравнения и метод прогнозирования опорной проходимости при криволинейном движении КТС 312
3.2.2. Анализ расчетньос и экспериментальных характеристик криволинейного движения КТС и влияния на них параметров опорной поверхности и скорости 331
3.2.3. Анализ влияния законов распределения силового потока
но КД на параметры криволинейного движения колесного транспортного средства по деформируемой ОП 340
3.2.4. Анализ влияния конструктивных параметров ходовой части на параметры криволинейного движения колесного транспортного средства по деформируемой ОП 349
Выводы 359
ГЛАВА 4. Оценка эффективности взаимодействия колесного транспортного средства с деформируемой опорной поверхностью
4.1. Показатели эффектавноста КТС на маршруте движения... 362
4.2. Метод прогнозирования опорной проходимости КТС на маршруте движения 365
4.3. Маршруты движения и методы расчета основных параметров... 373
Выводы 383
Общие результаты и выводы 385
Литература
- Деформация почвенно-грунтовой поверхности под нагрузкой
- Математическая модель качения эластичного КД по твердой ОП с его непосредственным скольжением
- Расчетная схема и уравнения прямолинейного движения КТС по деформируемой опорной поверхности
- Метод прогнозирования опорной проходимости КТС на маршруте движения
Введение к работе
Решение многочисленных задач промышленности, обороны и других отраслей государства неотрывно связано с комплексом наземных безрельсовых транспортных средств (ТС).
Значительную роль в этом комплексе ТС играют колесные транспортные средства (КТС),
В большом многообразии КТС особое место занимают КТС повышенной и высокой проходимости., способные эффективна выполнять поставленные перед ними задачи в широком диапазоне изменения характеристик опорных поверхностей (ОП) местности, от твердых подготовленных (дорог) в различном состоянии до бездорожья (неподготовленной местности) с изменяемым профилем, единичными препятствиями и деформируемой опорной поверхностью
ДОП).
Актуальность работы - определяется необходимостью повышения эффективности КТС на местности при решении народно-хозяйственных и оборонных задач.
Эффективность выполнения поставленных, задач КТС принято характеризовать "подвижностью" - комплексом свойств, характеризующих способность движения по заданному маршруту с высокой скоростью, экономичностью и надежностью.
В зависимости от назначения КТС, первые два комплексных свойства мо-ілт конфликтовать между собой, надежность же перевозки груза является основным требованием, которое и оіраничивает показатели подвижности КТС.
Решение всего комплекса задач, связанных с вопросами подвижности, является достаточно сложной задачей. Поэтому до настоящего времени в большинстве случаев, весь комплекс задач подвижности разбивается на несколько групп, каждая из которых решает только частные вопросы.
Такими группами (эксплуатационными свойствами) являются: тяговая динамика, маневренность, управляемость, устойчивость, плавность хода, топлив-
7 ная экономичность, проходимость и другие.
В большинстве случаев ограничение параметров подвижности связано с движением КТС по неподготовленной местности и дорожным покрытиям в плохом состоянии.
Движение КТС по бездорожью оценивается "проходимостьиГ - способности двигаться по деформируемым ОП (опорная проходимость) и геометрическим препятствиям (профильная проходимость).
Эффективность выполнения поставленных задач: зависит от конструктивного исполнения КТС - общей компоновки, сштааой установки, трансмиссии, систем подрессоривания и управления, колесного движителя.
Реализацию на местности всех заложенных в КТС конструктивных решений обеспечивает в первую очередь колесный движитель КТС.
Совершенство и эффективность колесного движителя (КД) КТС определяется параметрами одиночного КД (пневматической шиной), их числом и расположением по бале, распределением нормальных нагрузок и силового потока, схемой поворота и т. д,
Решением многих вопросов занималось большое количество организаций, научных школ и отдельных авторов. Многие задачи решены как в общей постановке, так и конкретно для определенного класса КТС (наземные и инопланетные). Однако вопросов при решении задач такой сложной проблемы как подвижность КТС на местности остается' достаточно много. Многие из них требуют более глубокого изучения и обобщения с целью создания КТС с наибольшей эффективностью и надежностью.
Цель работы — повышение опорной проходимости. КТС на местности на базе дальнейшего развития:
теоретических методов оценки деформируемости грунтов различными леформаторами при произвольном нагружении;
методов исследования качения мастичного КД по прямолинейным и криволинейным траекториям на твердой (ТОП) и деформируемой опорной поверхности (ДОП);
- методов исследования и прогнозирования характеристик прямолинейного и криволинейного движения многоосного КТС но деформируемым опорным поверхностям.
Подвижность КТС на местности зависит от ее конкретизации. Необходимо знать ее геометрические и физико-механические характеристики, их изменение при изменившихся внешних условий окружающей среды (влажности, температуры, ветровой нагрузки и т. д.).
Эта область знаний в первую очередь изучается «грунтоведами» - строителями, дорожниками, мелиораторами, специалистами сельского хозяйства.
В большинстве работ, характеристики местности необходимые для расчета параметров проходимости КТС представлены в табличном виде, работать с которыми не всегда удобно, Желательно иметь простые аппроксимирующие зависимости, сБязьшающие физические и механические характеристики деформируемых опорных поверхностей. Это значительно расширяет возможности оценки проходимости КТС на местности.
Характеристики деформируемости опорных поверхностей описываются различными методиками, имеющими свои преимущества и недостатки. Их применение для широкого диапазона размеров и нагрузок на движитель, опорных поверхностей, режимов движения, в частности криволинейного, ограничено и возможно с большим количеством допущений. Результаты расчета по ним не всегда совпадают с экспериментальными данными.
С вопросами проходимости КТС по деформируемым ОП неразрывно связаны работы, исследующие их движение на твердых опорных поверхностях. На их базе решаются миипш задачи движения по деформируемым ОП.
Классически наибольшее число работ посвящено исследованию взаимодействию эластичного КД с деформируемой ОП при прямолинейном движении. Основной целью является определение интегральных показателей - деформаций фунта и иптьи сопротивления качению, силы тяги и т, д. Различия в существующих теориях и методиках заключаются в представлении зоны контакта, определении элементарных нормальных и касательных напряжений, мего-
9 дах интегрирования, для определения искомых интегральных показателей.
При определении напряжений используются эмпирические (типа Бер-штейна - Летошнева) или нолуэмпирические подходы, базирующиеся на классических решениях механики грунтов (Я.С. Агейкина).
До настоящего времени оба подхода имеют право на существование и широко применяются, но, как отмечают многие исследователи- правомочность получаемых решений, ограниченных большим количеством допущений, не всегда подтверждается практикой.
При оценке параметров прямолинейного и криволинейного движения эластичного КД по ДОП необходимо иметь приемлемую расчетную модель. Существующие модели КД, как правило, приспособлены для решения конкретных задач и имеют большое число допущений, ограничивающих их применение при оценке проходимости на ДОП.
Фущжтпълышх теоретических работ по исследованию криволинейного движения КТС по деформируемым ОП почти нет. В общей постановке для одиночного КД задача решалась Я, Агейкиным, для случая бортового поворота и малых нормальных удельных давлений В.Н. Наумовым.
Не исследованы вопросы влияния, компоновочных решений КТС на параметры опорной проходимости при криволинейном движении по ДОП.
Особым вопросом при оценке эффективности КТС, является оценка влияния распределения силового потока по КД. Большинство исследований проведено при движении по твердой опорной поверхности. При движеюш но ДОП обычно используются упрощенные модели с большим количеством допущений.
Большое влияние на эффективность КТС оказывают конструктивные и эксплуатационные параметры. Анализ их влияния является определяющим при создании высокоэффективных КТС.
Не принижая значения работ многих исследователей, упомянутых в списке литературы и не вошедших в него, остановимся на авторах, внесших значительный вклад в развитие теории, методов и практической оценки параметров подвижности КТС, заложивших направленім и научные подходы к решению
10 многих рассматриваемых в работе задач.
Это в первую очередь Российские и исследователи бывшего СССР: Я.С. Агейкин, П.В. Аксенов, А.С. Антонов, Д.А. Антонов, В.Ф. Бабков, Л.В. Барах-танов, Г.Б. Безбородова, Б.ІТ. Белоусов, В.В. Беляков, А.К. Бируля, В.П. Бойков, Н.Ф. Бочаров, Ю.А. Брянский, НА. Бухарин, Р.В. Вирабов, А.В. Васильев, И.И. Водяник, С.Г. Вольский, М.С. Высоцкий, М.Э. Генних, В.В. Горячкин, В.А. Грачев, А.И. Гришкевич, В.В, Гуськов, А.А. Дмитриев. С.С. Дмитриченко, А.И. Егоров, Н,А, Забавников, В.И. Задорожный, Г.В, Зимелев, А.Ю. Ишлинский. В.В. Кацыгин, В.И. Кнороз, Н.И. Коротоношко, Н.Ф. Кошарный, А.А. Кржи-вицкий, И.П. Кссневич, Н.К. Куликов, Г.М. Кутьков, М.Г. Лабезников, М.А. Левин, М.Н. Летошнев, А.С. Литвинов, Е.Д. Львов, М.И. Ляско, А.Н. Мамаев, В.И. Медведков, В.К. Мишкинюк, В.В. Московкин, В.Н. Наумов, А.Н. Орда, И.П. Петров, В.А. Петрушов, Ю.В. Пирковский, В.Ф. Платонов, А.Ф. Полетев, А.А. Полунгян, Ю.Л. Рождественский, С.С. Саакян, В.М. Семенов, Л.В. Сергеев, В.А. Скотников, А.П. Софиян, Г.А. Смирнов, А.П. Степанов, ЇЇ.А. Ульянов, Я.Е. Фаробин, Н.А. Фуфаев, М.П. Чистов, Е.А. Чудаков, Б.Л. Шапошник, С.А. Шуклин, СБ. Шухман.
Из зарубежных авторов: Д. Адаме,. М.Г. Беккер, Л. Вильям,. Дж. Вонг, 3. Джаноси. B.PL Диксон, Д.М. Кларк, Г, Крик, СИ. Колби, Г. Команди, Р.А. Лис-тон, С. Ньютола, А. Риис, Р.С Роу, Г. Ситкей, А. Содтынекий, Д.В. Стаффорд, Д. Шуринг, СР. Фостср, Э. Хаггсдус, М.Л. Харрисон, Б. Ханамото, Р.п. Янг, 3. Яноси.
В одной рабоге невозможно рассмотреть весь комплекс задач, определяющих подвижность КТС на деформируемой опорной поверхности. Ниже перечислены основные задачи, решаемые в работе. Их решение позволяет построить строгие методики расчета, оценки и прогнозирования параметров опорной проходимости КТС на деформируемых опорных поверхностях местности.
Для достижения цели работы на основе анализа современного состояния теории взаимодействия колесных движителей, с деформируемой опорной поверхностью и методов исследования движения КТС сформулированы и peine-
ны следующие задачи:
провести анализ и получить аналитические зависимости, описывающие изменение основных параметров деформируемых опорных поверхностей Земной поверхности, необходимых для оценки проходимости КТС на маршруте движения;
разработать методику расчета деформаций ДОП при различных видах нагружения и параметрах деформаторов;
провести анализ и разработать эмпирические зависимости, определяющие значения нормальной деформации и сопротивления качению пневматических шин при изменении нормальной наїрузки и внутреннего давления возду-
создать методику расчета параметров прямолинейного качения эластичного КД но твердым и деформируемым опорным поверхностям при наличие скольжения и фрезерования ірунта в зоне контакта;
провести анализ влияния конструктивных и эксплуатационных параметров одиночного КД на параметры его опорной проходимости на базе созданных методик;
разработать методику расчета последовательного движения колесных движителей по одной колее при прямолинейном движении КТС с учетом фрезерования и обвала грунта в колею;
создать методик}' расчета параметров криволинейного качения эластичного КД по твердой и деформируемой опорным поверхностям при наличие скольжения и фрезерования фунта в зоне контакта;
разработать методику расчета криволинейного движения колесных движителей но колее, образовашшй предыдущими КД при криволинейном движении КТС, с учетом несовпадения их траекторий;
разработать методику прогнозирования и программы для ЭВМ расчета характеристик прямолинейного и криволинейного движения многоосного КТС по деформируемой опорной поверхности;
провести анализ влияния на параметры опорной проходимости КТС при
12 прямолинейном и криволинейном движении конструктивных (база, колея, расположение и число осей, параметры КД, распределение силового потока, схема поворота) и эксплуатационных (положение центра масс, давление воздуха в шинах, скорость движения, радиус поворота) параметров;
- разработать методику расчета параметров эффективности КТС на мар
шруте движения при изменении эксплуатационных параметров.
Научная новизна:
- получены аналитические зависимости изменения основных физико-
механических параметров деформируемых опорных поверхностей (песков, су
песей, суглинков, глин, лессов, торфяных залежей и снега) Земной поверхно
сти, упрощающих и расширяющих возможности оценки опорной проходимости
КТС на маршруте движения:
создана на базе теорий механики фунтов методика расчета деформаций ДОП при различных видах нагружеиия и параметрах деформаторов, учитывающая процессы ушотаеігая и сдвигов частиц дисперсных тел, время действия, позволяющая точнее описывать процессы деформаций под движителями транспортных средств;
созданы методики расчета параметров прямолинейного качения, одиночного и многоопорного колесного движителя по твердым и деформируемым опорным поверхностям при наличии скольжения, фрезерования и обвала грунта в зоне контакта, отличающиеся методами определения нормальных и касательных напряжений, деформаций грунта, обеспечивающие более близкое совпадение расчетных и экспериментальных данных;
разработаны методики и проіраммьі, позволяющие проводить точную оценку и анализ на ранней стадии проектирования колесного движителя влияния основных конструктивных (свободного радиуса гс, профиля Вп и Яш протектора: коэффициента насыщенности н, высоты /гфЛ и шага t^ 3 грунтозацепов) и эксплуатационных (давление воздуха в шине/7* и нормальная нагрузка Р.) параметров на характеристики опорной проходимости;
созданы методика и программы расчета параметров криволинейного ка-
13 чения одиночного и многоопорного колесного движителя но твердым и деформируемым опорным новерхноегям при наличии продольного, бокового и углового скольжения, вертикальной и боковой деформаций грунта, его фрезеровании в зоне коїггакта, учитывающие силовой и кинематический увод, отличающиеся методами определения нормальных, продольных и боковых напряжений, деформаций фунта, обеспечивающие более близкое совпадение расчетных и экспериментальных данных;
созданы методики и программы расчета параметров прямолинейного и криволинейного движения многоосных КТС по деформируемым опорным поверхностям при наличии скольжения, фрезерования и обвала грунта в зоне контакта, учитывающие уклоны и параметры деформируемости опорной поверхности, основные конструктивные и эксплуатационные параметры многоосного КТС и колесного движителя, скорость и траекторию движения, отличающиеся возможностью учета большого числа нелинейностей в ходовой части, трансмиссии и зоне контакта колесных движителей с грунтом;
разработаны новые методики и программы, позволяющие на ранней стадии проектирования проводить анализ влияния основных конструктивных и эксплуатационных параметров КТС на параметры опорной проходимости при прямолинейном и криволинейном движении, определять пути выбора оптимальных: компоновочных решений (базы, колеи, числа осей, расположения осей по базе); распределения нормальных статических нагрузок но осям; полной массы: схемы поворота; габаритов и числа КД при заданных массе и базе КТС: внутреннего давления воздуха в шинах; законов распределения силового потока по колесным движителям; скорости и радиуса кривизны движения;
разработана методика расчета параметров эффективности КТС на маршруте движения, использующая кроме известных средней скорости и путевого расхода топлива, дополнительные показатели эффективности - коэффициент подведенной мощности к колесному движителю и коэффициент полезной мощности силовой установки, Отличитальной особенностью методики является предварительное создание расчетных матриц параметров движения КТС по
14 различным опорным поверхностям.
Достоверность результатов.
Методика расчета деформаций опорных поверхностей при различных видах нагружения и параметрах деформаторов экспериментально подтверждена серией опытов на грунтовом канале с сухіш песком.
Методика расчета параметров опорной проходимости одиночных колесных движителей и многоосных колесных транспортных средств подтверждена сравнением расчетных и экспериментальных исследований на различных грунтовых поверхностях:
при прямолинейном движении - в широком диапазоне изменения нормальных нагрузок-(давлений) для КТС различной грузоподъемности: сверхнизкой (малогабаритные специальные шасси) Рй < 0,3 кН (рг,ср,тс = 0,007.,.0,03 МПа), средней (многоцелевые автомобили) Pzi < 50 кН 0?2,ф.те *"* 0,095...0,195 МПа), высокой (многоосные специальные шасси) Pzi = 50...75 кН (ргСр.те = 0,141...0,327 МПа);
при криволинейном движении - для многоцелевых автомобилей Ря < 50 кН (рглр.«= 0,095...0,195 МПа).
Практическая ценность. Методики и программы расчетов на ЭВМ. практические рекомендации, позволяют производить выбор конструктивных и эксплуатационных параметров КТС различной массы, обеспечивающих наилуч» шис параметры опорной проходимости при прямолинейном и криволинейном движении по деформируемым опорным поверхностям местности.
Методика расчета эффективности КТС на маршруте движения позволяет производить оценку, прогнозирование и выбор колесного транспортного средства обеспечивающего при изменяемых его эксплуатационных параметрах наибольшую эффективность выполнения поставленных задач.
Аппроксимирующие зависимости параметров грунтов и методики расчета параметров взаимодействия штампов с грунтом позволяют приближенно, но достаточно быстро, определять основные характеристики реальных фунтов на маршруте движения.
15 Реализация работы. Результаты работы внедрены в АО КАМАЗ, АО БАЗ,
НИИСМ и НПЦ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты работы используются в
учебном процессе на кафедре «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Научно-исследовательские работы по теме диссертации выполнялись на кафедре "Колесные машины" МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции "Научно-технический прогресс в машиностроении и приборостроении", Москва, 1980 г.; региональной научно-технической конференции "Повышение эффективности проектирования и испытаний автомобилей", Горький, 1984 г.; Всесоюзной конференции по теории и расчету мобильных машин и ДВС, Телави, 1985 г.; Симпозиуме но терромеханике "Оптимальное взаимодействие", Суздаль, 1992 г.: научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2000 г.; 14 симпозиуме "Проблемы шин и резшюкордпых композитов" Москва, 2003 г.; Международном симпозиуме "Проектирование колесных машин", Москва, 2005 г.; Международном симпозиуме "Образование через науку", Москва, 2005 г,; Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры "Колесные машины" МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2006 г.; научных семинарах кафедры "Колесные машины" МГТУ им. Н.Э. Баумана в 1976, 1978, 1980... 1986,2000,2006,2007 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 печатных и 29 рукописных работ. В феврале 2007 г. вышла из печати монография "Методы прогнозирования опорной проходимости многоосных колесных машин на местности" -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 224 с.
Объем работы. Диссертация состоит из 2-х томов: введения, 4 глав, выводов и приложений. Содержит 608 страниц машинописного текста, 286 рисунков и 42 таблицы. Список использованной литературы содержит 338 наименований.
Деформация почвенно-грунтовой поверхности под нагрузкой
При исследовании взаимодействия нагружающей поверхностн-огтампа и грунтовой массы ПГП обычно рассматривают следующие зависимости: а) изменение вертикального перемещеюія штампа в грунте hT2 от среднего нормального давления ръ (или наоборот) при отсутствии горизонтальных нагру зок 0?х=ру = 0): hr =fipt), рис. 1Л0, а; б) изменение / отpZiPx,Py (т.е. при действии нагрузки не перпендикуляр но к. ПГП, под углом) на пределе несущей способности грунтовой массы: / = flPz,Px,Py),pm. 1.10,6; в) {вменение горизонтального перемещения штампа при нормальных дав лениях, не превосходящих несущей способности грунтовой массы, рис. 1.10, в: ktx =jx =/Pz, РХ, Ру); Ку =jy ЧІРь Рх, Ру) 38
Исследованию этих зависимостей посвящены работы большого числа авторов. Наиболее глубоко эти вопросы рассмотрены в механике грунтовых масс. За последшіе годы здесь получены результаты, позволяющие с достаточной для практики степенью точности аналитически (с использованием большого числа эмпирических козффициеіггов) определять искомые зависимости.
Однако, разработанные в механике грунтов методы расчета очень сложны, получены для процессов взаимодействия больших масс грунта и нагружающих поверхностей, при длительном процессе нагружения, для относительно плотных грунтов, и мало пригодны, в предлагаемом виде, для исследования процесса взаимодействия движителя ТС с верхним слоем грунтовой поверхности.
Поэтому, в различных методиках расчета параметров взаимодействия движителей ТС с деформируемой ірунтовой поверхностью наибольшее распространение получили полуэмпирические и эмпирические зависимости.
К искомым зависимостям, как отмечают большинство исследователей, должны предъявляться следующие требования: - соответствие физическому процессу деформации; - независимость параметров, характеризующих деформируемость грунта от размеров и формы штампов; - пригодность для оценки деформируемости большинства встречающихся деформируемых опорных поверхностей; - наличие параметров груша, по которым накоплен достаточный объем статистических данных; - относительная простота и возможность практического использования.
Последнее требование с появлением быстродействующих ЭВМ можно бы ло-бы и опустить, однако, при оценке подвижности на местности многоопорных ТС со сложными схемами трансмиссий, ходовых частей и рулевых управлений, применение очень сложных зависимостей значительно увеличивает время счета и выбора оптимальных параметров управления ТС.
Вертикальная деформация 111 11 под нагрузкой В литературе имеется большое количество формул, описывающих зависимость изменения вертикального перемещения штампа в грунте /jra (деформации грунта) от среднего нормального давления/ 2 (или наоборот) - Нтг =Др2), которые имеют свои преимущества и недостатки, анализу которых посвящено огромное число работ [3, 59, 86, 93, 124, 127, 130, 303, 307, 322, 325, 330 и др.]. Поэтому нет смысла останавливаться на выяснении кто прав, а кто нет. Рассмотрим лишь формулы, получившие наибольшее распространение, по коэффициентам которых накоплен большой объем статистического материала.
Качественный вид экспериментальных кривых вертикальной деформации грунговой массы при изменении размеров дсформатора и толщины слоя грунта иллюстрируется рис. 1.11. Рис. 1.11. Изменение нормальной деформации грунта при различных размерах деформатора и толщины однородного слоя грунта: а - постоянные размеры деформатора и различная толщина слоя грунта; б - одинаковая толщина слоя грунта и различные размеры деформатора
В практике расчета параметров опорной проходимости транспортных средств наиболее часто (90 %) используется подход с использованием эмпирических степенных зависимостей, описывающих деформацию грунта типа формулы Берштейна-Летошнева: Pt=cr(hrf (1.20) где рг - нормальное среднее давление в контакте, сг и ит - показатели деформируемости грунтового основания, hT - вертикальная деформация грунта. М.Г. Бсккером [305] для повышения точности расчетов предложено представлять : сг = кг+ kjb, где кг и кс - модули при погружении, соотвегственно, трения и сцепления; Ь - ширины (наименьший размер) штампа.
Основными недостатками формулы (1.20) являются достаточно узкие диапазоны изменения давлений и размеров штампов, в которых она дает правдоподобные результаты, а также изменение параметров су и /JT при изменении толщины слоя грунтового основания Яг и размеров штампа. Она не имеет физического смысла, чисто экспериментальна, базируется на эмпирических коэффициентах. Использование коэффициентов к{ и &С; которые имеют переменную размерность в зависимости от экспоненты погружения цг только усложняет проблему.
Усовершенствования формулы (1.20) не устраняют основных ее недостатков. Примером может служить формула А. Рииса [59, 322]: Pz = (Ybki+cQkc)(hr lb) , где у - удельный вес грунта, с0 - связность. Другой разновидностью эмпирического подхода являются трансцендентные зависимости, предложенные: В.В. Кацыгиным [106] - рг- psth (кф5у/гт; В.В. Гусковым [74], Е.Мельниковым [86].
Математическая модель качения эластичного КД по твердой ОП с его непосредственным скольжением
Для определения перечисленных показателей работы КД на ТС необходимо иметь значения и зависимости, связывающие параметры, входящие в представленные выше уравнения (hz, г , /ш , Кы, тр, Ях= Л?б)\ с конструктивными и эксплуатационными (Рг, /v, vx, параметрами микропрофиля и трения шины по ОП).
Изменение основных параметров самого КД {hZy г Лпь л,) в зависимости от эксплуатационных параметров (Pz, pw, МК} vx) описывается достаточно точными (в определенных пределах) и приемлемыми зависимостями.
В приложениях П.6 и П.7 представлен анализ эмпирических зависимостей для расчета нормальной и тангенциальной деформации шины, радиусов качения и сопротивления качению КД на твердой ОП.
При отсутствии непосредственного скольжения (линейная зона изменения радиуса качения гк) выше представленные уравнения справедливы и обеспечивают приемлемую точность.
В предельных режимах и наличии скольжения КД изменение продольной реакции Rx и радиуса качения гк (коэффициента непосредственного продольного скольжения sgj) в зависимости от параметров микропрофиля и трения шины КД по ОП изучено и описано в меньшей степени.
Уравнения представленные в п. 2.1 описывают движение КД при отсутствии непосредстветпюго скольжеігая по опорной поверхности. При наличии скольжения в большинстве методик расчета используются эмпирические зависимости KKJSQ), дающие приближенное представление об изменении продольной реакции в контакте при скольжении.
Сцепление КД с ОП в безразмерном виде принято характеризовать коэф фициентом продольной реакции К = & = Rx/RZi который при максимальном значении называют максимальным коэффициентом сцепления ф д, а при полном скольжении (SQ = 1) коэффициентом скольжения или сцепления ф.
Оба коэффициента и функция KR SQ) зависят от большого количества факторов и, в первую очередь от типа покрытия и состояния дороги (последнее является определяющим), конструкции и материала шины, давления воздуха в ней, нагрузок, скорости движения, температурных условий, процесса скольжения.
В зависимости от температуры значения ф; изменяется: на бетонном покрытии уменьшаются, а асфальтобетонном - увеличиваются (например, на сухом асфальтобетоне значения TC/q : -570,6; 1070,8; 4071,15 [212]).
Иногда используется понятие коэффициента блокировки КД А = фтах/ф [212], который лежит в диапазонах: для сухих покрытий - 1...1,5, мокрых -1,3...1,7.
С увеличением скорости движения КД значения фі уменьшаются, причем более интенсивно на асфальтобетонных покрытиях. Так при увеличении скорости с 32 км/ч до 64 и 96 км/ч, ф; снижаются на сухих и мокрых асфальтобетонных, заснеженных и обледенелых покрытиях соответственно на 20 и 40%, на любом цементобетонном лишь на 2 и 5% [212].
Коэффициенты /Тбх на этих скоростях (32, 64, % км/ч): асфальтобетон: сухой - 1,35; 1,5; 1.45; мокрый - 1,5; 1,4; 1,7; цементобетон: сухой - 1,3; 1,2; 1,1; мокрый -1,25; 1,15; 1,05; заснеженное и обледенелое покрытие -1,55; 1,3; 1,03 [212].
Значения оптимального коэффициента продольного скольжения ь\от, соответствующего фшах, на асфальто и цементобетонних покрытиях лежат в диапазоне 0,12...0,16, на заснеженных и обледенелых - 0,08...0,12 [212].
С уменьшением нормальных средшгх давлений и более равномерного их распределения по контакту значения ф, возрастают. При этом с ростом температуры в пятне контакта можно получить щ 1 [212]. Зная значения ф (таблица 12), К&х и s6.oirr можно приближенно описать зависимость ф б), используя уравнения главы 1 (1.76).
На деформируемых опорных поверхностях значения KQX могут быть больше чем на некоторых твердых, особенно при большой связности грунта, низких значениях нормальных давлений в контакте и заглублении грунтозацепов
Расчетная схема и уравнения прямолинейного движения КТС по деформируемой опорной поверхности
Схема КТС в ненагруженном состоянии, рис. 3.1, определяет положение и размеры основных его элементов и координаты точек возможного приложения внешних сил. Положение элементов и точек определяется относительно некоторой условной системы координат ArTC0TZTC, жестко связанной с корпусом КТС с центром в базовой точке корпуса (БТК) 07Z на корпусе в области установки 1-й оси (значения координат вправо и вниз - положительны, влево и вверх -отрицательны) и осью Хтс, совпадающей с базовой горизонталью корпуса (БГК) "(7кор - ОКОр". Такое описание удобно при нелинейных характеристиках деформаций упругого элемента системы подрессоривания (УЭП), колесного движителя и грунта, при вывешивании КД.
Основные обозначения: - точки положения: спод - подрессоренной массы /ппод; о\ - неподрессорен ной массы КД (оси КД) /пнп; w- центра парусности (приложения силы сопро тивления воздуха; - переднего бампера; К- крюка; В\- передней части нижнего выступа; - горизонтальные и вертикальные координаты: 1ц и2 .1 - i-й оси; /ісвд И2СОД - т. сПоД; /w и 2VV - центра парусности; Ii6 и zm- бампера; 1\в\ и 2В0.І - нижних выступов; 4р и z - крюковой нагрузки; - /б; b& F6 и /в i? bs\, F8j. - длина, ширина, площадь бампера и нижнего выступа.
При движении КТС по ДОП с углом продольного наклона ахш рис. 3,2, происходит заглубление в грунт КД, нижних выступающих частей корпуса и бампера (на схеме - условное положение) относительно базовой горизонтали недеформированной опорной поверхности (БГОП) "Ог - О". Базовая горизонталь корпуса "Окор - Окор" наклоняется по отношению к "Ог - Ог" на угол сс -продольного крена корпуса КТС. На КТС действуют: Спод и GK - вес подрессоренной массы ТС и иеподрес орснной массы /-го КД; продольные и вертикальные реакции: /?х.усл.і, R - /-го КД; /?бх, Яб» ВІ.Х, ВІ.?. - бампера и нижних выступов; Рщх, РЩ7. - крюка; ЛУ - сила сопротивления воздуха; Рах - продольная сила инерции; А/г, - момент сопротивления качению / -го КД.
На схеме в качестве продольной реакции в контакте представлена /? усд -условная продольная реакция в контакте КД и ОП - продольная реакция за вычетом сил сопротивления качению на деформации грунта, реально обеспечивающая создание продольной силы Рхна оси КД и продольное ускорение массы КД. Это связано с упрощением записи уравнений движения КТС и особенностями расчетной модели взаимодействия КД с ДОП, определяющей на заключительной стадии именно эту величину.
В качестве основных параметров, определяющих положение КТС по отношению к ДОП, примем: z - базовое расстояние от базовой т. Отс над 1-й осью до БГОП "Ог - Or"; Aro.i - полная вертикальная деформация грунта после прохода / -го КД; z j - расстояние от базовой горизонтали корпуса до поверхности контакта КД и ДОП при движении КТС.
При линейных характеристиках нормальной деформации КД и УЭП (нормальные жесткости сшг = const, с ,п = const): R = h x cmzc J( cmz+ Cy,u). При нелинейных характеристиках, необходима решать систему нелинейных уравнений, удовлетворяющих при одинаковых значениях R условию: Aau = A zD + M «)- (3.5) Продольные реакции Rxyc\ - Р%, деформации КД и грунта, A/f, определяются по методике главы 2 с учетом схемы трансмиссии. Нормальные и продольные реакции бампера и выступов определяются по реакции грутгга на их заглубления: Лгб--60 - бзз + t\6 Щ («хкр); Antt = и0.і -баз + ha.i tg (Сх.кр)- (3-6) При hn\ 0uhT5 0 заглубления отсутствуют и реакции равны нулю. Нормальные реакции R& и ЯВІ2 определяются подбором Rz, удовлетворяющим заданному заглублению (по методике главы 2 для КД).
Продольные реакции &.х и /?Ej.s определяются реакцией трения скольжения но днищу выступа и реакцией лобового отпора его передней части: Д&= Я ь)к .б + к (hj-q-ilt; Rm.x = Л u , + ai (/гга.;)2 fr Y iO6. (3.7) Значения коэффициента пассивного давления qn (1.69) определяются при угле стенки U„ - 90 шш его угочнением при конкретной задаче.
Решение поставленной задачи заключается в определении параметров взаимодействия отдельных колесных движителей с опорной поверхностью и удовлетворении уравнений равновесия КТС,
Параметры взаимодействия КД с ДОП зависят от нормальной нагрузки Pzi, угловой скорости вращения тк\ и крутящего момента Л/к,-. Значения нормальной нагрузки Рл, определяются уравнениями равновесия КТС, значения Ши и М определяются схемой силового потока в трансмиссии. В общем случае при изменении режима движения КТС изменяются параметры взаимодействия каждого КД.
Задача сводится к определению параметров взаимодействия КД с ДОП при заданных значениях Рг\, и, М и выполнения уравнений равновесия КТС.
Определение параметров качения КД при заданных значениях Р . Они М,,-. При заданной нормальной нагрузке Рд2 значения hz\, hT{, Ry определяются радиусом качения г« колесного движителя (аргумент).
В зависимости от законов управления силовыми потоками в трансмиссии, значения заданных угловых скоростей ш .?., кругящих моментов Мад мощностей ЛГад скольжений SGO.Z могут быть различными, причем один из этих параметров задается, а остальные определяются процессом взаимодействия КД с опорной поверхностью.
Значение продольной реакции R зависит в основном от радиуса качения Ги или относительного радиуса качения r = rjrz. При линейной зависимости ХІ(ГИ) решение достаточно просто [12, 17, 194, 242].
Метод прогнозирования опорной проходимости КТС на маршруте движения
На распределение нормальных реакций R по осям КТС наибольшее влияние оказывает положение центра масс /ic, а также система подрессоривания, обеспечивающая в некотором диапазоне корректировку законов распределения нормальных нагрузок.
Не углубляясь в сложные системы иодрессоривания, проведем оценку влияния распределения нормальных нагрузок по осям на параметры опорной проходимости для КТС с одинаковыми УЭП и изменяемым положением центра масс /1с.
Нарис. П.68...П.71 представлены расчетные кривые/т7С"=.Дссг .„) для КТС различной осности лос = 2.,,5, с базой Ц - 6,6 м, с шиной 425/85R21, равномерным расположением осей по базе и относительном положешш центра масс (ЦМ)/1сЯ.б= 0,35; 0,5; 0,65,
При ахп= 0 и положении ЦМ то середине базы hJL = 0,5 нормальные реакции одинаковы на всех КТС R 28,98 кН.
При числе осей rice= 2...5 и относительном положении ЦМ распределение нормальных нагрузок но осям R7X соответственно: при UJLF. = 0,65: 21,03 -36,95; 17,05 - 28,48 - 40,93; 14,66 - 24,21 - 33,76 - 43,32; 13,06 - 21,03 - 28,99 -36,95 - 45,17: при /lc/6= 0,35: 36,95 - 21,03; 40,93 - 28,48 - 17,05; 43,32 - 33,76 - 24,21 - 14,66; 45,17 - 36,95 - 28,99 - 21,03 - 13,06. С увеличением числа осей от 2 до 5 увеличивается отношение нормальных реакций по крайним осям: 1,75; 2,4; 2,95; 3,45.
Анализ представленных результатов расчета позволяет сделать следующие выводы. Наименьшие затраты мощности j fiTC и наибольший угол преодолеваемого подъема ах.п.мах обеспечивается при равномерном распределении нормальных нагрузок по осям.
Смещение ЦМ назад от середины базы (кривые из мелких точек) ухудшает (до 20%) параметры опорной проходимости на всех грунтах и различной осности КТС.
Смещение ЦМ вперед (пунктирные кривые) оказывает менее существенное влияние на снижение параметров опорной проходимости. При малой осности «ос= 2 смещение ЦМ вперед, рис. П.68, незначительно (до 5%) снижает затраты на передвижение в зоне малых углов преодолеваемого подъема на мало и и средне деформируемых грунтах: № 12... 14, 16,17,19.23,26, 28...30, 36.
Смещение ЦМ от середины базы в наибольшей мере сказывается при движении по суглшжу с влажностью равной пределу текучести W— W-? (№ 17) и снегу старому плотному сухому (№ 33). Затраты мощности на передвижение возрастаю в 1,5..,2 раза, на 30.,,50% снижается максимальный угол преодолеваемого подъема
Следовательно, распределение нормальных нагрузок по осям КТС влияет на параметры опорной проходимости в наибольшей мере при перегрузке задних осей и при движении по грунтам с малой несущей способностью. При движении по грунтам с большей несущей способностью распределение нормальных реакций оказывает меньшее влияние.
Влияние габаритов и числа КД при заданных массе и базе КТС. Для КТС при заданных массе и базе возможны различные конструктивные решения. В первую очередь могут изменяться габариты КД и число осей КТС.
В главе 2 было показано, что с увеличением габаритов колесного движителя параметры опорной проходимости улучшаются.
Из компоновочных решений и номенклатуры шин возможна установка шин различных габаритов и их числа. В зависимости от технических требований для КТС возможно множество вариантов.
В качестве примера, рассмотрим различные варианты КТС с полной массой тп= 29440 кг и базой Ц= 6,6 м. Из существующей номенклатуры шин возможно создание КТС: - 4 х 4 с шиной 1600x600-685 (Дьиом = 79 кІІ) с RA = 72,2 кН; - 8 х 8 с шиной 1300x530-533 {RZ.H0U= 40 кН) с Дгі= 36,1 кН; - 8 х 8 с шиной 425/85R 21 (tfZH0M = 30 кН) с Я = 36,1 кН (перегрузка); - 10 х 10 с шиной 425/85R 21 (ДІІ10М = 30 кН) cR„= 28,88 кН; - 12 х 12 с шиной 12,00-20 - 7?ZH0M = 22 кН) с RA = 24,06 кН (перегрузка); - 12 х 12 с шиной 14,00-20 - (Л = 26 кН) с R = 24,06 кН; - 12 х 12 с шиной 1200x400-533 - (RZJ№1= 26 кН) с Да= 24,06 кН. На рис. П.72 и П.73 представлены результаты расчета параметров опорной проходимости для трех вариантов КТС: 4 х 4 с шиной 1600x600- 685 (сплошные ЛИНИИ); 8 Х 8 С шиной 425/85R 21 (линии из мелких точек); 10 х 10 с шиной 425/85R 21 (пунктирные линии).
Из рисунков явно прослеживаются преимущества КТС с большим количеством осей, У них меньше затраты мощности на передвижение и деформапия грунта, больше максимальный угол преодолеваемого подъема. Они обеспечивают незначительную подвижность на поверхностях, на которых движение КТС 4x4 невозможно (№ і5,31).
Естественно, увеличение числа осей значительно усложняет конструкцию КТС, однако уменьшение габаритов КД снижает неподрессоренную массу и высоту расположения центра масс. При меньших габаритах КД увеличивается максимально допустимая (по шине) скорость движения КТС, увеличиваются максимальные углы поворота КД и уменьшается радиус поворота.
