Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 21
1.1. Обзор основных направлений развития транспортных средств высокой проходимости 21
1.1.1. Гусеничные машины 21
1.1.2. Колесные машины 29
1.1.3. Шагающие машины 3 9
1.1.4. ТС с роторно-винтовым движителем 42
1.1.5. ТС с торовым движителем 45
1.1.6. Аппараты на воздушной подушке 52
1Л .7. Комбинированные ТС 56
1.1.8. Средства повышения проходимости колесных машин 64
1.2. Методы оценки проходимости ТС 67
1.2.1. Метод натурных испытаний 69
1.2.2. Метод моделирования 71
1.2.3. Метод оценки по отдельным параметрам 74
1.3. Формулировка основных проблем исследования 90
ГЛАВА 2. Анализ условий эксплуатации и разработка методов оценки проходимости и подвижности ТС 93
2.1. Общие условия эксплуатации 93
2.1.1. Природно-климатические условия 93
2.1.2. Дорожные условия 95
2.1.3. Основные виды грунтовых условий 104
2.2. Разработка методов оценки проходимости ТС 106
2.2.1. Разработка метода оценки проходимости ТС с точки зрения непрерывности транспортного процесса 106
2.2.2. Разработка интехрального показателя подвижности 113 з
2.2.3. Определение коэффициентов весомости для групповых и единичных оценочных параметров ТС 119
2.2.4. Выводы по главе 126
ГЛАВА 3. Исследование базовых характеристик пневмоколесных движителей сверхнизкого давления. нахождение расчетных зависимостей для определения их основных параметров 130
3.1. Исследования жесткостных характеристик шин сверхнизкого давления (ШСНД) 133
3.1.1. Определение радиальной жесткости ШСНД , 134
3.1.2. Определение тангенциальной жесткости ШСНД 143
3.1.3. Определение боковой жесткости ШСНД 146
3.1.4. Определение крутильной жесткости ШСНД 150
3.1.5. Определение зависимости бокового увода ШСНД
от боковой силы 151
3.2. Исследования тяговых параметров ШСНД на стенде 153
3.3. Исследования давлений ШСНД на опорную поверхность 156
3.4. Выводы по главе 162
ГЛАВА 4. Математическая модель исследования динамики тс на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления. определение параметров микропрофиля характерных дорог нициамт 165
4.1. Математическая модель исследования динамики ТС 167
4.2. Моделирование микропрофиля автомобильных дорог и местности. Определения статистических характеристик микропрофиля дорог НИЦИАМТ 180
4.3. Выводы по главе 183
ГЛАВА 5. Обоснование создания ТС на пневмоколесных движителях. сверхнизкого давления. разработка основных технических решений ходовых систем ТС 184
5.1. Разработка концепции ц обоснование выбора типа ТС для работы в тяжелых дорожных условиях и на бездорожье 184.
5.1.1. Анализ массово-габаритных показателей ТС 185
5.1.2. Анализ энерговооруженности ТС 188
5.1.3. Анализ проходимости ТС , 189
5.1.4. Анализ экономических показателей ТС 190
5.1.5. Анализ экологических показателей ТС 194
5.1.6. Анализ управляемости и устойчивости ТС 196
5.1.7. Выбор типа ТС для работы в тяжелых дорожных условиях и на бездорожье 197
5.2. Разработка основных технических решений ходовых систем ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления 200
5.2 1. Выбор весовых параметров 200
5.2.2 Выбор параметров колесного движителя 201
5.2.3. Выбор способа поворота 204
5.2.4. Обоснование основных конструктивных решений 217
5.3. Выводы по главе 220
ГЛАВА 6. Расчетно-экспериментальные исследования тс на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления 221
6. 1. Расчетно-экспериментальные исследования плавности хода ТС при движении по неровностям 221
6.2. Расчетно-экспериментальные исследования управляемости и устой I - чивости ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления 227
6.2.1. Расчетные исследования статических характеристик управляемости 229
6.2.2. Расчетные исследование статических характеристик устойчивости 238
6.2.3. Экспериментальные исследования управляемости и устойчивости
6.3. Исследования показателей опорной проходимости ТС на колесных и гусеничных движителях 243
6.4. Лабораторно-дорожные исследования и эксплуатационные испытания ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления 246
6.5. Выводы по главе , 250
Основные результаты и выводы 253
Список использованных источников 257
Приложения 284
П. 1. Средства повышения проходимости колёсных машин 284
П. 2. Определение показателей опорной проходимости транспортного средства НАМИ- 1918с гусеничным и колесным движителями 311
П. 3. Стендовые исследования шин сверхнизкого давления 317
П. 4. Структурная схема математической модели 332
- ТС с роторно-винтовым движителем
- Основные виды грунтовых условий
- Определение тангенциальной жесткости ШСНД
- Моделирование микропрофиля автомобильных дорог и местности. Определения статистических характеристик микропрофиля дорог НИЦИАМТ
Введение к работе
Актуальность работы. Современное экономическое положение России тесно связано с развитием Севера и Северо-Востока, занимающих более 60% ее территории, где сосредоточены основные запасы природных ресурсов страны. Однако освоение этих районов затруднено из-за недостаточно развитой транспортной сети, сложности природно-климатических условий и чрезвычайной экологической уязвимости региона. Около 70% грузовых и пассажирских перевозок осуществляется автомобильным транспортом, при этом почти 60% – по грунтовым дорогам и автозимникам. В весенне-осенний период оттаявшие дороги и местность становятся непроходимыми для традиционных автомобилей. В результате 15 млн. человек становятся отрезанными от районных и областных центров. В это время широко применяются традиционные колесные и гусеничные транспортные средства (ТС) высокой проходимости, наносящие непоправимый ущерб почвенно-растительному покрову северных районов. Применение колесных машин, оснащенных специальными пневмоколесными движителями сверхнизкого давления, является эффективным средством повышения проходимости и экологии при осуществлении транспортных операций в труднодоступных районах.
Не случайно задача по созданию почвонеразрушающих транспортных систем входила в Федеральную инновационную программу «Техника Российского Севера», одобренную Постановлением Совета Министров и Правительства РФ от 13.12.1993 г. № 1280 и включена в Перечень критических технологий, имеющих важное социально-экономическое значение или значение для обороны страны и безопасности государства, утвержденный распоряжением Правительства РФ от 25 августа 2008 г. №1243.
Теория транспортных средств высокой проходимости, включая колесные машины и их движители, на сегодняшний день разработана достаточно хорошо как зарубежными, так и отечественными исследователями. Однако все исследования проводились, в основном, с шинами низкого и высокого давления (0,1 МПа и более), имеющих большое число слоев корда. Вопросы передвижения машин на тонкостенных пневмоколесных движителях с внутренним давлением воздуха 0,02-0,07 МПа освещены недостаточно и требуют уточнения ряда положений, в том числе в области взаимодействия колесного движителя с опорной поверхностью, определения основных рабочих характеристик движителей, основных направлений и методов создания ходовых систем ТС данного типа. Особенно это важно для сокращения времени разработки и рационального выбора технико-экономических и конструктивных параметров новых моделей ТС на стадии проектирования. Поэтому работа является актуальной.
Цель работы. Научное обоснование создания и разработка ходовых систем транспортных средств на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления. Для достижения цели работы сформулированы и решены следующие задачи:
– разработать основные эксплуатационные требования, предъявляемые к ТС, предназначенных для работы в бездорожных районах Севера;
– разработать методы оценки проходимости и подвижности ТС с точки зрения эффективности, безопасности и экологии осуществления ими транспортного процесса;
– определить базовые параметры наиболее распространенных шин сверхнизкого давления и найти зависимости для их определения;
– разработать математическую модель исследования динамики ТС на шинах сверхнизкого давления при движении по неровностям;
– определить статистические характеристики микропрофиля ряда характерных дорог НИЦИАМТ, позволяющие проводить аналитические исследования динамических процессов транспортных средств с проверкой их адекватности в реальных дорожных условиях с высокой степенью достоверности;
– разработать основные направления и методы разработки ходовых систем и рекомендаций по основным режимам движения ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления, включая обоснование и выбор рациональных параметров колесного движителя и способа поворота, обеспечивающих требуемые эксплуатационные качества;
– провести расчетно-экспериментальные исследования по оценке плавности хода, управляемости и устойчивости ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления.
Научная новизна.
Разработана новая математическая модель для исследования динамики ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления при движении по неровностям, отличающаяся тем, что скорость движения машины не задается через центр масс, а формируется от движителя.
Предложен метод оценки проходимости ТС с учетом времени на восстановление проходимости при осуществлении непрерывного транспортного процесса.
Разработан метод расчета интегральной оценки подвижности ТС с учетом показателей экологии и безопасности. Особенностью метода является применение оценочного круга по принципу радара. Предложены коэффициенты весомости основных параметров ТС.
Определены базовые параметры наиболее распространенных шин сверхнизкого давления, найдены регрессионные зависимости для их расчета.
Разработаны методы расчета и выбора рациональных параметров пневмоколесного движителя и способа поворота ходовых систем ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления.
Научно обоснованы выбор типа ТС для работы в тяжелых дорожных условиях, технические решения по созданию ходовых систем и рекомендации по основным режимам движения ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления.
Объекты исследования. Колесные, гусеничные и торовые движители, ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления.
Методы исследований. Методы системного анализа, численные методы решения систем нелинейных уравнений и методы математического моделирования. Прикладные задачи решались в среде EXEL и MATLAB SIMULINK. Экспериментальные исследования проводились в дорожных условиях и на лабораторных стендах с использованием современных измерительных средств.
Квалификационная формула работы.
Диссертационная работа является самостоятельной завершенной научной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены положения, которые можно квалифицировать как совокупность научно обоснованных технических решений, заключающихся в обосновании и разработке основных принципов создания ходовых систем транспортных средств на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления, включая методы расчета и оценки проходимости и подвижности, методы расчета и выбора основных параметров ходовых систем, математическую модель движения колесных машин по неровностям.
Полученные результаты и рекомендации могут быть использованы при выборе рационального типа ТС для эксплуатации в заданных дорожных условиях, а также при выборе их основных параметров и технических решений на стадии проектирования.
Внедрение изложенных научно обоснованных технических решений вносит значительный вклад в решение народно-хозяйственных и социальных задач в условиях Севера и Северо-Востока страны, а также в повышение ее обороноспособности.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Из теоретических разработок – математическая модель движения ТС по неровностям, позволяющая исследовать плавность хода и нагруженность ходовых систем колесных машин на шинах сверхнизкого давления.
2.Из научно-методических разработок:
– метод оценки проходимости ТС при осуществлении им непрерывного транспортного процесса;
– метод интегральный оценки подвижности ТС.
– метод расчета и выбора рациональных параметров пневмоколесного движителя и способа поворота ходовых систем ТС на шинах сверхнизкого давления.
3. Из научно-технических разработок – обоснованные по результатам исследований практические рекомендации, направленные на повышение проходимости колесных машин и по выбору эксплуатационных режимов движения ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления, созданные по результатам исследований пневмоколесный движитель сверхнизкого давления, образцы машин на этих движителях, новые конструктивные решения и практические рекомендации.
Достоверность результатов. Адекватность математической модели движения ТС по неровностям подтверждена сравнением результатов расчета и натурного эксперимента на дорогах НИЦИАМТ. Проведенный на серийных машинах, опытных образцах и стендах комплекс экспериментальных исследований также подтвердил основные теоретические положения и разработки.
Практическая ценность. Представленные в работе методы расчета позволяют производить оценку и прогнозирование проходимости и подвижности ТС с учетом эффективности, безопасности и экологии выполняемого им транспортного процесса, намечать пути повышения указанных свойств, а также обоснованно выбирать тип ТС для конкретных условий эксплуатации.
Разработанные математическая модель и программа расчета динамики ТС позволяют исследовать плавность хода и нагруженность ходовых систем колесных машин, выбирать рациональные параметры подвески и движителя исходя из реальных процессов, происходящих в контакте движителя с опорной поверхностью.
Полученные статистические характеристики микропрофиля ряда характерных дорог НИЦИАМТ позволяют проверять адекватность существующих и вновь создаваемых математических моделей и программ расчета, проводить аналитические исследования динамических процессов движения колесных машин с возможностью проверки их в реальных дорожных условиях НИЦИАМТ с высокой степенью достоверности.
Полученные характеристики основных параметров шин сверхнизкого давления и регрессионные зависимости для их определения позволяют на этапе проектных работ обоснованно подбирать пневмоколесные движители ТС и рассчитывать технико-эксплуатационные параметры машин.
Разработаны основные направления и методы разработки ходовых систем ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления, даны рекомендации по применению систем подрессоривания, способу поворота. допускаемым нагрузкам и режимам движения ТС на шинах сверхнизкого давления при движении на различных опорных поверхностях.
Проведены исследования и дан сравнительный анализ проходимости ТС с различными типами движителя, в том числе с использованием средств повышения проходимости. Создан полноразмерный ходовой макет ТС на торовых движителях и на основе предварительных исследований получены первые данные по ряду его основных параметров. Показана перспективность этого нового направления в развитии движителей ТС.
Реализация работы. Результаты экспериментально-теоретических исследований по теме диссертации внедрены в НПФ «Трэкол», ДФ ГУ «НПО «СТиС» МВД РФ, ООО «ТрансМаш», ОАО «ГАЗ», ОАО «КамАЗ» и используются в учебном процессе на кафедрах «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана, «Автомобили и тракторы» НГТУ, «Автомобили и двигатели» МГИУ.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывалась на Всесоюзной научно-технической конференции «Технико-экономические вопросы создания и внедрения рациональных и экологически чистых транспортных средств для бездорожных районов Севера» (г. Москва, 1990 г.); на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Создание экологически безопасных транспортных и транспортно-технологических средств» (г. Новосибирск, 1990 г.), на International Scientific Congress on Ecology and Transport (г. Гетеборг, Швеция, 1990 г.), на 23-й Международной научно-практической конференции ААИ «Полноприводный автомобиль – перспективы развития (г. Дмитров, 1998 г.); на 43-й Международной научно-технической конференции ААИ «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях Сибири и Крайнего Севера» (г. Омск, 2003 г.); на 47-й Международной научно-технической конференция ААИ, России, Беларуси и Украины «Повышение конкурентоспособности автотранспортных средств» (г. Минск, 2004 г.); на Combined Conference on Heavy Vehicles «XXXVI. Meeting of Bus and Coach Experts and Congress on Commercial Vehicles» (Будапешт, Венгрия, 2005 г.); на 53-й Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы автомобилестроения России» (г. Ижевск, 2006 г.); на 32nd International Scientific Congress on Powertrain and Transport Means «European Kones 2006» (г. Варшава, Польша, 2006 г.); на 4-ом Международном Автомобильном Научном Форуме (МАНФ) «Научные, конструкторские и технологические достижения отечественного автомобилестроения» (г. Москва, 2006 г); на Всероссийской научно-практической конференции «Российский автопром: теоретические и прикладные проблемы машиностроения» (г. Москва, 2007 г.); на 60-й Международной научно-практической конференция «Техническое регулирование в области автотранспортных средств» (г. Дмитров, 2007 г.); на 2-й, 3-й и 4-й Международных научно-практических конференциях «Торовые технологии» (г. Иркутск, 2005 г. и 2007 г.); на научно-технической конференции, посвященной 70-летию факультета «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2008 г.); на 62-й Международной научно-практической конференция ААИ «Перспективы развития отечественного автомобилестроения. Конструктивная безопасность автотранспортных средств» (г. Дмитров, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 монографии, 29 научных работ, получено 5 патентов на изобретение, 4 патента на промышленный образец, 2 патента и 2 свидетельства на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений. Диссертация изложена на 351 страницах компьютерного текста, содержит 138 рисунков, список использованных источников – 287 наименований.
ТС с роторно-винтовым движителем
Исследованиями и расчетами колесных машин в разное время занимались Я.С. Агейкин, П.В. Аксенов, А.С. Антонов, В.Ф. Бабков, М.Г. Беккер, Б.Н. Белоусов, В.В. Беляков, В.Л. Бидерман, А.К. Бируля, Н.Ф. Бочаров, Н.Р. Брилинг, Ю.А. Брянский, В.Ф. Васильченков, Д.П. Великанов, Д. Вонг, Г.В. Зимелев, В.И. Кнороз, Н.И. Коротоношко, Н.Ф. Кошарный, В.Н. Кравец. А.С. Литвинов, В.А. Петрушов, Ю.В. Пирковский, В.Ф. Платонов, А.А. Полунгян, В.М. Семенов, Г.А. Смирнов, Н.А. Ульянов, Я.Е. Фаробин, Е.А. Чудаков и ряд других ученых [3, 5, 12, 19, 38, 40, 41, 53, 57, 71, 98, 127, 131, 151, 152, 155, 170, 172, 213, 222, 223, 229, 233, 245, 249, 257, 261, 268].
Пневматические шины - одно из наиболее простых и эффективных средств повышения проходимости колесных машин. За счет варьирования основных параметров шин (размеры, форма, число слоев корда, материал, внутреннее давление, рисунок и глубина протектора) в широких пределах можно изменять коэффициенты сцепления и сопротивления качению, а также площадь контакта между колесным движителем и опорной поверхностью и, соответственно, давление на нее. Применение колесных движителей позволяет обеспечить ТС высокие скоростные и экономические показатели.
Условно по величине наружного диаметра D шины делятся на малогабаритные D 0,8 м, среднегабаритные D=0,8-l,5 м и крупногабаритные D 1,5 м По величине внутреннего давления воздуха р шины можно разделить на шины высокого давления р 0,35 МПа, шины низкого давления р=0,1-0,35 МПа и шины сверхнизкого давления р 0,1 МПа. По форме поперечного сечения пневматические шины классифицируются как традиционные или тороидные, широкопрофильные, арочные, пневмокатки, крупногабаритные шины и шины сверхбаллоны. Последние применялись за рубежом в середине прошлого века на некоторых экспериментальных вездеходах и многозвенных автопоездах для перевозки крупногабаритных неделимых грузов в бездорожных районах. Крупногабаритные шины применяются в основном на тяжелой карьерной и внедорожной технике. На рисунке 1.1.2.1 показаны геометрические формы и площади отпечатков тороидных, широкопрофильных и арочных шин и пневмокатков нагруженных одной и той же вертикальной нагрузкой, имеющих одинаковый наружный диаметр и соответствующие жесткости [19]. В таблице 1.1.2.1 приведены конструктивные соотношения их основных параметров [28, 44, 120, 219, 266].
Латинскими буквами в таблице обозначены: б - посадочный. диаметр шины, В - ширина профиля шины, Н - высота профиля шины.
Если величину площади отпечатка тороидной шины принять за 100%, то площади отпечатков других колесных движителей составят: широкопрофильных - 120-140%, арочных - 150-200% и пневмокатков - 250-300% [19].
Широкопрофильные шины в определенной степени повышают проходимость колесных машин. На рисунке 1.1.2.2. приведены фотографии характерных широкопрофильных шин.
По сравнению с тороидными шинами широкопрофильные шины, имеют увеличенную на 25 10% ширину профиля, в 1,5-2,0 раза меньшее внутреннее давление воздуха, более высокие - до 25-35 мм против 10-15 мм грунтозаце- пы с насыщенностью протектора 35-45%. Отношение ширины беговой дорожки к ширине профиля у широкопрофильных шин составляет 0,7-0,9 против 0,6-0,7 у тороидных шин.
Одним из эффективных и простых способов повышения проходимости стандартного автомобиля, является установка на его ведущие мосты колес с арочными шинами [113, 119, 121, 122, 260, 263]. Некоторые модели этих шин изображены на рисунке 1.1.2.3.
Большая опорная поверхность и развитые до 40-60 мм грунтозацепы арочных шин не только значительно снижают силу сопротивления движению автомобиля по мягким и увлажненным грунтам, но и реализуют значительно большие тяговые усилия, чем традиционные шины. 1300x750 Я-186 1140x600 Я-404 580x270 Я-417
Арочные шины по своей конструкции существенно отличаются от обычных шин формой профиля поперечного сечения и соотношениями основных размеров. Профиль арочной шины представляет собой арку переменной кривизны с низкими мощными бортами. По сравнению с обычными шинами арочные шины имеют большую в 2,5-3,5 раза ширину профиля. Число слоев корда колеблется от 2 до 8, насыщенность рисунка протектора варьируется от 15-17% до 20-30%. Внутреннее давление воздуха может изменяться от 0,04 МПа до 0,25 МПа. Радиальная деформация арочных шин доходит до 25-30%, что вдвое превышает радиальную деформацию обычных шин, составляющую 12-15%. Отношение ширины беговой дорожки к общей ширине профиля у арочных шин достигает 0,95-0,98 вместо 0,7-0,9 у широкопрофильных шин.
Благодаря пониженной жесткости беговой дорожки и повышенной жесткости боковин арочные шины при качении по мягким грунтам создают более высокие давления на грунт по краю бегового пояса в сравнении с его средней частью. В результате происходит прогиб шины в средней части и уплотнение грунта по направлению к центральной части шины и, соответственно, значительное уменьшение раздвигания (выпирания) грунта в стороны, как ото происходит у шин обычного профиля, и тем самым снижается сопротивление качению и увеличивается сопротивление грунта сдвигу. На слабых опорных поверхностях тягово-сцепные качества автомобилей с арочными шинами по сравнению с обычными шинами выше более чем в 2 раза, а сопротивление движению меньше на 10-15%. На тяжелых раскисших дорогах автомобили с арочными шинами по производительности превосходят автомобили с традиционными шинами на 40%. Глубина снежного покрова, преодолеваемого автомобилями семейства Г АЗ, ЗИЛ и КрАЗ на арочных шинах составляют соответственно 0,3, 0,4 и 0,5 метров.
Однако, на твердых опорных поверхностях у автомобилей с арочными шинами по сравнению с обычными наблюдаются повышенные сопротивление движению и, соответственно, расход топлива (до 5-7%), вибрация и износ протектора и пониженная боковая устойчивость. На накатанных снежных и обледенелых дорогах, а также на дорогах с набитой колеей автомобили с арочными шинами по устойчивости и тормозным свойствам уступают автомобилям со стандартными шинами. Тормозной путь на сухих твердых дорогах у автомобилей с арочными шинами больше обычных на 3-11%.
На очень слабых грунтах с глубоко расположенным твердым подслоем арочная шина практически не деформируется и глубоко погружается в грунт, увеличивая колееобразование и создавая большое сопротивление движению, вплоть до полной потери проходимости. Давления на грунтозацепах могут превышать средние давления в контакте в 3-4 раза, что может вызвать срез недостаточно крепкого поверхностного слоя слабых грунтов. На деформируемых опорных поверхностях при резком трогании с места или буксовании трансмиссия автомобилей на арочных шинах испытывает на 30-35% большие динамические нагрузки, чем на стандартных шинах. Реализация арочными шинами больших тяговых усилий, приводит к увеличению нагрузок в агрегатах и узлах трансмиссии. В некоторых случаях нагрузки могут возрасти в 1,5- 2 раза. Соответственно срок службы узлов и деталей трансмиссии, а также элементов подвески у этих машин значительно ниже обычных.
Основные виды грунтовых условий
Способность ТС выполнять транспортную работу с преодолением сильно пересеченной местности, естественных и искусственных профильных препятствий (уклоны большой крутизны, рвы вертикальные стенки, уступы и т.п.) относится к профильной проходимости.
К ТС предъявляются требования эффективно выполнять транспортную работу, то есть совершать грузовые или пассажирские перевозки в сложных дорожных условиях в максимально короткие сроки и с минимальными эксплуатационными затратами. Степень проходимости ТС на одном и том же маршруте считается ниже относительно другой аналогичной машины в случае снижения грузоподъемности или скорости движения. С учетом эффективности выполнения транспортной работы рядом авторов понятие потеря проходимости (прекращение движения) было разделено на понятие полной потери проходимости, при которой собственно происходит потеря движения ТС и частичной потери проходимости, при которой происходит ухудшение эксплуатационных показателей ТС [31,41].
В последнее время к этим требованиям добавились и экологические - выполнение транспортной работы должно сопровождаться минимальными вредными последствиями для экологии районов эксплуатации. Кроме общепринятых экологических требований по уровню шума и уровню вредных выбросов в атмосферу к ТС, работающих в условиях бездорожья предъявляются требования по не разрушающему и не уплотняющему воздействию на опорную поверхность. Очевидно, что в зависимости от назначения транспортного средства уровень и весомость предъявляемых к нему тех или иных требований может меняться.
Вопросами проходимости (подвижности) и ее оценкой в разное время занимались многие отечественные и зарубежные ученые: Я.С. Агейкин, П.В. Аксенов. А.С. Антонов, В.Ф. Бабков, Л.В. Барахтанов, Г.Б. Безбородова, Б.Н. Белоусов, М.Г. Беккер, В.В. Беляков, А.К. Бируля, Н.Ф. Бочаров, Н.Р. Бри- линг, Ю.А. Брянский, Н.А. Бухарин, Ю.Н. Вараксин, В.Ф. Васильченков,
Тем не менее, до сих пор нет единых общепринятых методов и показателей, позволяющих оценить проходимость ТС. Это связано со сложностью взаимодействия движителей машин с опорной поверхностью и поставленными перед ними конкретными задачами. В настоящее время проходимость ТС оценивают методом натурных испытаний, методом моделирования и методом оценки по отдельным параметрам и комплексным методом.
Натурные испытания можно разделить на метод эталонного маршрута и метод контрольных (в том числе эксплуатационных) испытаний. Эти методы являются наиболее объективными, но достаточно трудоемкими. Согласно ГОСТ Р В 52048-03 для определения параметров опорной проходимости методом эталонного маршрута пользуются четырьмя видами мерительных участков: - размокшие на глубину не менее 0,1 м грунтовые суглинистые, глинистые или черноземные дороги; - влажные, вспаханные на глубину 0,25-0,3 м суглинки или черноземы при относительной влажности поверхностного слоя 30-35%; - сухие сыпучие пески с глубиной залегания не менее 1,5 м и влажностью до 4% на глубине не менее 0,1 м; — снежная целина с толщиной снежного покрова не менее 0,4 на ровном замерзшем (твердом) грунтовом подслое при плотности снега 0,2-0,4 г/см3 и температуре окружающего воздуха не выше минус 5С.
Определение каждого оценочного показателя производится при движении по новой колее в прямом и обратном направлениях.
Метод контрольных испытаний является наиболее трудоемким. При контрольных испытаниях подбираются маршруты движения с характерными участками грунтовых и шоссейных дорог и бездорожья с равнинным и гористым рельефом местности, часто в различных климатических зонах и в различные периоды года. Примером подобных испытаний могут служить длительные, ресурсные, климатические и другие виды испытаний.
Прбеговые испытания проводятся циклами, кратными гарантийному пробегу. Для автомобилей, имеющих в соответствии с техническими условиями или действующими регламентирующими документами, ограничения движения по отдельным видам дорог, распределение пробега может устанавливаться организацией, проводящей испытания, по согласованию с предпри- ятием-изготовителем и заказчиком. При проведении контрольных испытаний разрабатывается программа-методика, отвечающая определенным нормативным документам, а также назначению и специфике эксплуатации колесных машин. По продолжительности затрачиваемого времени такие испытания могут занимать от нескольких месяцев до 1 года и более.
Метод моделирования делится на два направления: исследование масштабных моделей и расчетное моделирование процесса движения колесной машины. Первое направление заключается в исследовании масштабных моделей колесных машин в грунтовых каналах. При этом могут быть воспроизведены различные почвенно-растительные и грунтовые условия, а также профили местности. Этот метод позволяет достаточно просто проводить исследования с большим числом варьирования параметров и схем конструкций ТС (размеров и типа движителей, числа движителей и расположение их по базе, систем подрессоривания и т.п.). При этом значительно сокращается время и снижаются материальные затраты на проведение эксперимента [49, 81,179, 180].
Для физического моделирования большое значение имеет правильный выбор коэффициентов подобия параметров модели и натуры, особенно линейных размеров, так как этим определяются размеры и весовые параметры моделей. Наиболее часто величина подобия линейных размеров составляет от 10 до 20. При коэффициенте подобия менее 10 возрастают вес и размеры модели, а трудоемкость исследований приближается к трудоемкости исследований натурного образца. При коэффициенте подобия более 20 затруднено согласование весовых и геометрических параметров модели, кроме этого, снижается точность замеров при эксперименте.
Определение тангенциальной жесткости ШСНД
В настоящее время проходимость ТС оценивают методом натурных испытаний, методом моделирования и методом оценки по отдельным параметрам. Первый метод является наиболее объективным, но достаточно трудоемким. Для адекватности сравнения результатов испытаний различных ТС целесообразно пользоваться стандартизованными трассами испытательных полигонов. Пробеги по отдельным видам дорог приводятся к первой категории условий эксплуатации по таблицам 2.1.2.1-2.1.2.2. В случае проведения всего цикла испытаний на дорогах НИЦИАМТ необходимо пользоваться коэффициентами приведения, указанными в таблице 1.2.1.2. Рекомендуемое распределение пробега при испытаниях полноприводных автомобилей по типам дорог дано в таблице 1.2.1.1.
Метод моделирования делится на два направления: исследование масштабных моделей и расчетное моделирование процесса движения колесной машины. Первое направление позволяет достаточно просто проводить исследования с большим числом варьирования параметров и схем конструкций ТС. При этом значительно сокращается время и снижаются материальные затраты на проведение эксперимента. Однако при моделировании автомобильных шин возникают проблемы адекватности модели и натуры, связанные с наличием гистерезиса, характеризующего энергоемкость резинокордной оболочки. В этом случае результаты исследования модели могут отличаться от реальных параметров натуры в 1,5 раза. Применять данное направление моделирования для тонкостенных пневмоколесных движителей сверхнизкого давления нельзя. Второе направление связано с расчетным моделированием процесса движения колесной машины по типовому маршруту и комплексной оценкой ее проходимости. Тем не менее, полученные при моделировании результаты требуют уточнения в натурных условиях. Это связано с тем, что на практике достаточно трудно точно подобрать коэффициенты подобия свойствам, которые в естественных условиях изменяются в широких пределах в зависимости от конструкции ТС, места расположения типового маршрута и времени года.
Учитывая сложившееся понятие проходимости, как способности автомобиля выполнять транспортную работу в тяжелых дорожных условиях и на бездорожье, сформулировано следующее определение проходимости: «Проходимость - это способность транспортного средства преодолевать дорожное сопротивление непрерывному поступательному движению, создаваемому силами в системе «движитель - опорная поверхность». Отсюда критерием проходимости ТС является его непрерывное поступательное движение в осуществляемом транспортном процессе протяженностью Ь, протекающим во времени Т. Условием реального поступательного движения ТС являются соотношения () Рр{) и у/(1) , р(Ь), а условием невозможности поступательного движения ТС - соотношения Ру (I) РрЩ и у/(Ь) (р{Ь) .
Показателями проходимости ТС будут являться протяженность движения I (выражения 2.2.1.7-2.2.1.8) или время непрерывного движения с учетом времени, затрачиваемого на восстановление проходимости (выражения 2.2.1.9-2.2.1.10) при выполнении транспортного процесса. При такой схематизации транспортного процесса к понятию проходимости ТС, добавляется информация о потери проходимости, представленной в размерности интервала непрерывного проявления способности колесной машины преодолевать дорожное сопротивление. В ней присутствует возможность количественной оценки реального возникновения критичных соотношений и интервалов сохранения этих соотношений.
В оценке подвижности необходимо отражать не только собственно свойства проходимости, но и общие технико-экономические и эксплуатационные свойства ТС, включая безопасность, экономические и экологические качества. Тогда можно предложить следующее определение: «Интегральный показатель подвижности - это оцененное потребителем в конкретный момент времени в конкретных условиях эксплуатации превосходство машины над аналогами по проходимости с учетом технико-экономических и экологических показателей за жизненный цикл». Соответственно подвижность колесной машины оценивается одним интегральным показателем, который в данном случае будет комплексным показателем нулевого или высшего уровня. Тогда входящие в него показатели проходимости, безопасности, экологии, экономики и т.п. будут соответственно комплексными показателями первого уровня, внутри каждого из которых находятся комплексные показатели второго уровня и т.д.
Интегральный показатель подвижности рассчитывается как отношение площади радара, построенного внутри оценочного круга по выбранным параметрам, к площади оценочного круга.
Наиболее простым и общедоступным методом оценки проходимости является метод оценки по отдельным параметрам. Тем не менее, как и при оценке подвцжности по интегральному показателю (методу радара), существует определенная сложность при выборе коэффициентов весомости отдельных показателей. Для транспортных средств, предназначенных для работы, в основном, на слабонесущих многолетнемерзлых грунтах предлагаются коэффициенты весомости выбирать из таблицы 2.23.1.
Как уже отмечалось, наибольшее влияние на проходимость и другие основные свойства ТС оказывает движитель. При этом требования, предъявляемые к движителю часто противоречивы. Например, для повышения проходимости на слабонесущих опорных поверхностях и обеспечения большой плавности хода колесных ТС необходимо, чтобы шина обладала высокой эластичностью. В то же время повышение эластичности приводит к снижению общей жесткости шины, в том числе ее боковой жесткости, что отрицательно сказывается на устойчивости и управляемости колесной машины, особенно при движении с высокими скоростями на твердых опорных поверхностях. Кроме этого, уменьшается грузоподъемность шины и, соответственно, грузоподъемность самого транспортного средства.
В главе 1.1 были сформулированы общие требования, предъявляемые к движителям ТС. Применительно к шинам сверхнизкого давления эти требования можно дополнить следующими положениями: - шины должны иметь эластичный, но в то же время упругий каркас; - нагрев шины в результате многократных изгибов при движении со сниженным внутренним давлением воздуха в них должен быть минимальным; - шины должны иметь большой внутренний объем воздуха, для того, чтобы даже при его значительном снижении, они не теряли работоспособность, а также обладали достаточным водоизмещением; -при значительном снижении внутреннего объема воздуха шины не должны проворачиваться на ободьях колес как при разгоне и торможении, так и при криволинейном движении. - конструкция шины должна обеспечивать хорошие сцепные качества на различных опорных поверхностях и не оказывать разрушающего воздействия на слабонесущие грунты.
В настоящее время информация по шинам сверхнизкого давления достаточно ограничена. За рубежом для специальных автомобилей используются шины низкого давления, включая шины с регулируемым давлением воздуха не превышающего 0,35 МПа. Перепад давлений внутреннего воздуха обычно находится в пределах 1:5. Давление на грунт таких движителей составляет 0,03-0,2 МПа. Чаще всего используются шины размеров от 12.40-16 до 18.00- 33, охватывающие область нагрузок от 0,5 кН до 5 кН. Как уже упоминалось, данные по испытаниям ТС на шинах сверхнизкого давления и стендовых испытаний самих шин являются закрытой информацией фирм-производителей и не публикуются в открытой печати.
В силу изложенного была поставлена задача определения базовых параметров шин сверхнизкого давления (ШСНД), обеспечивающих требуемые разнородные качества пневмоколесного движителя, зависимости тех или иных качеств шины в виде функций от этих параметров, а также разработка рекомендаций по использованию ШСНД на различных режимах в различных дорожных условиях. Для решения этой задачи возможно использование трех методов. Требуемые зависимости можно определить теоретически путем расчета математических моделей шин, при исследовании подобных моделей шин в грунтовых каналах, а также испытаниями серийно применяющихся и экспериментальных образцов шин сверхнизкого давления.
Второй метод не применим на практике из-за больших расхождений между полученными результатами и реальными свойствами натурных образцов шин с малым числом слоев корда, так как трудно соблюсти условие подобия пксрди !ікпкорой ПРИ наличии, как правило, двух слоев корда в натурном образце птины сверхнизкого давления.
Моделирование микропрофиля автомобильных дорог и местности. Определения статистических характеристик микропрофиля дорог НИЦИАМТ
Проблема технического решения задачи обеспечения транспортного процесса в тяжелых дорожных условиях состоит в обоснованном выборе наиболее эффективного типа ТС, их номенклатуры и требует определенной концепции удовлетворения конструкцией ТС различных практических потребностей, которое достигается выбором (чаще всего компромиссным) технико-экономических параметров конструкции. Совокупность этих параметров определяет качество ТС.
Обоснование концепции ТС и выбор типа и основных техникоэкономических показателей машины основывается на методе системного анализа. Это связано со сложным взаимодействием между машиной, средой и человеком и необходимостью отбора из определенного количества рассматриваемых вариантов только одного, наиболее полно удовлетворяющего исходным требованиям. Методы системного анализа развивались Я.С. Агейкиным, П.В. Аксеновым, Л.В. Барахтаноым, М.Г. Беккером, В.В. Беляковым, Д.П. Великановым, А.Н. Вержбицким, С.Г. Вольским, Дж. Вонгом, Г.В. Зи- мелевым, Н.Ф. Кошарным, Н.И. Коротоношко, А.Н. Островцевым, В.А. Пет- рушовым, Г.А. Смирновым, В.Ф. Платоновым, А.А. Полунгяном, Х.А. Фас- хисвым, Е.А. Чудаковым и рядом других авторов. Как уже говорилось, системный анализ больших транспортных систем является достаточно сложным процессом, связанным с большим числом параметров и случайных, факторов. Однако при определении концепции и выборе типа ТС, учитывая специфику их работы, можно ограничиться группой основных показателей машины и дорожными условиями, рассмотренными в главе 1. При анализе и выборе концепции ТС многие факторы, определяющие назначение машины, могут классифицироваться как «ограничительные» вследствие того, что они лимитируют отдельные параметры и свойства. Наиболее общими из таких факторов являются ограничения по нагрузкам и габаритам, проходимости и плавучести, безопасности й экологии и т.п. Анализ конструкций современных ТС различных типов позволил установить статистически обоснованные зависимости между некоторыми основными параметрами машин, обобщить сложившиеся тенденции в их выборе и дать оценку достигнутому уровню разработок. При этом за базовый параметр, характеризующий наиболее важный технический и эксплуатационный показатель транспортного средства, принята грузоподъемность. В приложении П. 1 приведены технические характеристики некоторых транспортных средств высокой проходимости, использованные для статистической обработки и получения зависимостей основных удельных показателей машин.
Анализ приведенных в главе 1 различных ТС позволяет отметить: машины с роторно-винтовыми движителями являются узкоспециализированными и не отвечают задачам экологии, шагающие и колесно-шагающие ТС сложны как по конструкции, так и в управлении, исследования ТС на торо- вых движителях находятся в начальной стадии, модификаций комбинированных ТС может быть достаточно много, при этом в эксплуатации они встречаются редко. В силу изложенного на современном этапе развития науки и техники при решении транспортной задачи в бездорожных районах Севера можно ограничиться рассмотрением трех видов ТС: колесных и гусеничных машин и аппаратами на воздушной подушке.
Одним из основных показателей назначения ТС является грузоподъемность, во многом характеризующая производительность транспортного средства. Повышение грузоподъемности влечет за собой увеличение полной массы машины и, соответственно, увеличение габаритных размеров, особенно длины и ширины. Это связано е тем, что проходимость ТС по трунтам со слабой несущей способностью в значительной степени зависит от-величины давлений на опорную поверхность и, соответственно, от площади контакта движителей с грунтом. Увеличение полной массы машины при сохранении тех же давлений на опорную поверхность неизбежно влечет за собой увеличение площади контакта движителей с грунтом и, соответственно, габаритных размеров, которые во многих случаях являются ограничительным фактором по маневренности, проезжаемости и возможности транспортирования.
В свою очередь, одним из показателей совершенства конструкции является материалоемкость, т.е. отношение снаряженной массы машины к ее грузоподъемности. Чем меньше материалоемкость (при том же уровне надежности и ресурса), тем совершеннее конструкция, так как в этом случае можно получить большую грузоподъемность при тех же габаритных размерах и полной массе ТС.
На рисунке 5.1.1.1 показаны средние статистические зависимости удельной материалоемкости различных типов ТС от грузоподъемности, показывающие явное преимущество колесных машин перед другими типами ТС.
В зоне грузоподъемностей от 3 до 10 тонн материалоемкость колесных машин меньше чем у АВП и гусеничных ТС соответственно на 50-60% и на 15-35 %. Начиная от значений грузоподъемности 15-20 тонн и выше материалоемкость колесных машин меньше чем у АВП и гусеничных ТС соответственно в 2-3 и в 1,5-2 раза.
Как было сказано выше, габаритные размеры ТС, особенно ширина и длина, площадь контакта движителей и давления в контакте тесно связаны между собой и ограничивают полную массу и, соответственно, грузоподъемность машины. На рисунке 5.1.1.2 показаны зависимости средних статистических значений габаритной площади ТС в плане от грузоподъемности.
Из приведенных на рис. 5.1 Л .2 зависимостей видно явное преимущество колесных и гусеничных транспортных средств перед аппаратами на воздушной подушке. В зоне малых значений показателя грузоподъемности машин (от 400 кг до 1000 кг) колесные машины имеют преимущество перед аппара- тами на воздушной подушке по показателю удельной площади в 1,5-2 раза. После значений показателя грузоподъемности 1000-1500 кг и более, преимущество колесных и гусеничных машин перед аппаратами на воздушной подушке резко увеличивается — до пяти раз и более.
Удельная мощность во многом характеризует как тяговые возможности, так и скоростные свойства ТС. Однако, до сих пор не выработалось единого подхода к вопросу выбора рациональных значений удельной мощности для транспортных средств, предназначенных, в основном, для работы на бездорожье. Чем больше удельная мощность, тем большие тяговые усилия и максимальные скорости движения может реализовать машина в одних и тех же дорожных условиях. Однако, это справедливо только в определенных диапазонах значений удельной мощности. Так, величина удельной мощности не должна превышать значений, соответствующих максимальным тяговым усилиям, которые может реализовать машина по сцеплению с опорной поверхностью, а при движении по слабонесущим грунтам - предельным значениям сопротивления грунту сдвигу. Заметное повышение средней скорости движения при увеличении удельной мощности происходит в диапазоне малых значений последней. При значениях более 15-20 кВт/т увеличение удельной мощности меньше отражается на скоростных свойствах ТС, особенно на бездорожье и разбитых грунтовых дорогах, где ограничение скорости больше связано с дорожными условиями, чем с конструкцией конкретного ТС. Сказанное не относится к аппаратам на воздушной подушке.
