Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние основных факторов на пробег шин в эксплуатации (литературный обзор)
1.1. Анализ факторов, влияющих на пробег шин 7
1.2. Влияние конструктивных и технологических факторов на пробег шин
1.3. Влияние эксплутационных факторов на пробег шин
1.4. Влияние категории условий эксплуатации и климатических факторов на пробег шин
1.5. цель и задачи исследования 25
2. Силовые факторы, действующие на шины карьерного самосвала при передаче мощности от колеса к опорной поверхности 27
2.1. анализ распределения силовых потоков в упругой шине 27
2.2. Распределение силовых потоков в шине, при качении колеса по криволинейной траектории 32
2.3. Нахождение линейных реакций, определяющих диссипативные потери в шине 41
2.4. Определение потерь мощности в шине 45
3. Исследование влияния дорожно- климатических факторов на потери мощности в шинах автомобиля и расход шин 49
3.1. Влияние дорожных факторов на потери мощности в шинах автомобиля 51
3.2. Влияние дорожно-климатических условий эксплуатации на расход шин 61
4. Разработка методики нормирования расхода шин автомобилей-самосвалов, эксплуатируемых в карьерных условиях 76
4.1. Анализ условий эксплуатации автомобилей-самосвалов, эксплуатируемых в карьерных условиях 77
4.2. Определение значения коэффициентов корректирования расхода шин в зависимости от изменения дорожных и климатических условий 81
4.3. Методика прогнозирования потребного количества шин автомобилей-самосвалов, работающих в карьере "удачный" (на примере 2002 года) 86
Общие выводы и рекомендации 91
Список использованной литературы
- Влияние конструктивных и технологических факторов на пробег шин
- Влияние категории условий эксплуатации и климатических факторов на пробег шин
- Распределение силовых потоков в шине, при качении колеса по криволинейной траектории
- Влияние дорожно-климатических условий эксплуатации на расход шин
Введение к работе
Интенсивный рост автомобильного транспорта и повышение роли автотранспортных средств в народном хозяйстве России выдвинули в число важнейших проблему увеличения пробега шин. Шина является одним из дорогостоящих элементов автомобиля. Удельный вес затрат на-шины в общем балансе эксплуатационных расходов составляет от 10% до 25% в зависимости от категории автотранспортного средства. Анализ причин отказов шин при эксплуатации их на дорогах с усовершенствованным покрытием показывает что от 70% до 90% описываются по причине полного износа [41]. В других дорожных условиях (карьерные, непрофилированные дороги, горные) возрастает количество отказов шин по причинам отслоения протектора, разрыва каркаса и порезы протектора.
Срок службы шин зависит от многих факторов: условий эксплуатации, режимов движения автотранспортных средств, дорожно-климатических условий, конструкции шин и технологии их изготовления. Влияние каждого из этих факторов в различных условиях эксплуатации проявляются по-разному. В результате этого, шины выходят из строя на разной стадии пробега ниже нормативной.
Современные тенденции развития автомобилестроения направлены на повышение таких эксплуатационных свойств автомобиля, как: грузоподъемность, скорость движения ускорения при разгоне и замедления при торможении. Повышение этих свойств, приводит к росту действующих на шины внешних нагрузок и снижению их пробега.
Многообразие факторов, снижающих пробег шин, осложняет изучение их влияния на пробег шин в эксплуатации. Несмотря на значительное количество исследований, влияние дорожно-климатических и других факторов на пробег шин в реальных условиях эксплуатации автотранспортных средств не достаточно полно изучено. Изучение закономерностей влияния
различных условий эксплуатации на пробег шин представляет большой интерес как для производителей шин, так и для эксплуатационников. В связи с этим, разработано методов количественной оценки срока службы шин в различных условиях эксплуатации имеет важное значение в решении проблемы обеспечения транспортных средств шинами и бесперебойной организации производственного процесса ТО и ТР автомобилей при интенсивной их эксплуатации.
В настоящей работе сделана попытка разработать метод оценки влияния дорожно-климатических условий эксплуатации на пробег шин при эксплуатации автотранспортных средств в северной зоне России (третья подзона с минимальной температурой до - 55 Си резкими перепадами температуры окружающей среды) -и исследовать влияние этих факторов на расход шин в различные периоды года.
В первой главе представлен литературный обзор выполненных эксплуатационных, экспериментальных и теоретических работ в области влияния различных факторов на срок службы шин в различных условиях эксплуатации. На этой основе сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе представлены теоретические предпосылки исследования влияния дорожно-климатических условий эксплуатации автотранспортных средств на пробег шин в северной зоне России на основе использования теории силового потока [9].
В третий главе проведены эксплуатационные исследования влияния дорожно-климатических факторов на пробег шин по сезонам года в северной зоне России эксплуатации транспортных средств.
В четвертой главе приведены результаты исследования влияния основных дорожно-климатических факторов на расход крупногабаритных шин автомобилей большой грузоподъемности, эксплуатационных в карьерных условиях в северной зоне России. На основе разработанной в диссертации
методики нормирования расхода крупногабаритных шин карьерных автосамосвалов составлен прогноз их расхода по месяцам на 2002 год для условий Удачнинского ГОКа.
Работа выполнялась на кафедре «Техническая эксплуатации и ремонт автомобилей» Волгоградского государственного технического университета в период с 1998 по 2001 год в соответствии с планом госбюджетной НИР №01860102153.
Влияние конструктивных и технологических факторов на пробег шин
С учетом вышесказанного по возможности управления действием факторов на срок службы шин можно выделить три основные группы: управляемые, частично управляемые и учитываемые. При этом к управляемым факторам отнесем группу конструктивных и технологических факторов, которые формируются при проектировании конструкции шины и ее изготовлении.
Конструктивные факторы определяются такими параметрами шины как наружный и внешний диаметр шины, ширина и высота шины, угол наклона нитей корда в каркасе и бреккере (радиальные и диагональные шины) и т.п.
Каждый из этих конструктивных параметров влияет на величину и характер распределения контактных напряжений и проскальзываний в контакте шины с поверхностью дороги, что и приводит к изменению интенсивности износа протектора, а также рабочей температуры шины. Изменение интенсивности износа приводит к изменению пробега шины до списания по причине полного износа протектора, а изменение рабочей температуры шины к изменению пробега шины до списания по причине разрыва или отслоения протектора от каркаса.
Технологические факторы характеризуются параметрами температуры и продолжительности вулканизации, типом каучука и рецептуры резиновых смесей, типом корда и рядом других параметров. Причем, параметры, характеризующие технологические факторы, формируют основные физико - механические свойства резин, обеспечивающих работоспособность, долговечность и сохраняемость шин в процессе эксплуатации.
Исследования проведенные в МЧМ СССР, СПГГИ, НИИ" КПП г. Днепропетровска, а также авторами Анистратовым К.Ю., Авдонькиным Ф.Н., Гудковым В.А., Балабаном И.В., Балабиным В.И., Кубраковым В.П., Тарновским В.Н., Cohrz Н.Н., Gollier B.I., Krugez Е.А., Higgins L.R. и др.[1,3, 5, 11, 12] показали, что конструктивные и технологические параметры влияют на работоспособность, долговечность и сохраняемость шин в совокупности с параметрами эксплуатационных факторов. Последние характеризуются величинами нормальной нагрузки на шину, внутренним давлением, скоростью качения, а также передаваемым колесом крутящим (или тормозным) моментом в тормозном или ведущем режиме качения и боковой силой, действующей на шину при криволинейном движении автомобиля в процессе маневрирования. Под влиянием перечисленных выше режимов нагружения в шине неизбежно возрастает температура и повышается интенсивность износа, что приводит в итоге к преждевременному списанию шин в основном по следующим причинам: отслоению протектора, порезам, разрыву каркаса и износу протектора.
К учитываемым факторам (дорожно-климатические) относятся: число полос движения проезжей части, обочины, радиусы кривых в плане продольного и вертикального профиля, тип, прочность и шерохотоватость покрытия, сцепные свойства в продольном и поперечном направлениях, загруженность и наличие осадков на покрытиях, пропускная способность полосы движения, интенсивность движения, среднеинтервальное значение температуры, влажность воздуха и другие.
Дорожные факторы негативно сказываются на пробеге шин в основном за счет микро и макро профиля через повышение нагрузок на шину (нормальной, продольной и боковой), повышение удельного веса абразивного износа, сопровождаемое неизбежным повышением температуры в шине.
Климатические факторы сокращают срок службы шин при изменении физико - механических свойств резин под действием температуры окружающей среды и ее агрессивности, элементов дорожного покрытия при взаимодействии с элементами протектора шины, из которого он изготовлен.
Совокупность конструктивно - технологических, эксплуатационных и дорожно- климатических факторов влияют на пробег шин по-разному [3, 5, б, 9]. Поэтому первоочередной задачей исследования пробега шин в эксплуатации является анализ и обобщение факторов, влиянием которых невозможно управлять.
Влияние категории условий эксплуатации и климатических факторов на пробег шин
Из графика видно, что с уменьшением нагрузки на шину, относительный номинальный пробег шины возрастает, а с увеличением нагрузки пробег шины наоборот сокращается. В каталоге фирмы Мишлен, приводятся данные, свидетельствующие о том, что перегрузка шин на 10-50 % сокращает срок службы на 10-60 %, соответственно. Уменьшение нагрузки на шину (по отношению к номинальной) на 10-20 % приводит к увеличению срока службы шин на 10-60 %. Экспериментальными исследованиями [17,41,42] в стендовых условиях установлена зависимость изменения интенсивности износа протектора от нормальной нагрузки. Причем, полученный авторами характер изменения интенсивности изнашивания протектора шин от нормальной нагрузки в отличие от зависимости на рис. 1.2 близок к линейному.
Влияние внутреннего давления в шине на средний пробег шин рассматривается в работах [35, 55, 65, 70, 73, 77, 79, 81, 82], в которых отмечается что эксплуатация шин с пониженным давлением на 20-50 % сокращает ходимость шин на 15-20 %. Кроме того, износ шины подвергающейся нагрузкой на 20 %, возрастает на 30 %. При снижении давления относи тельно оптимального рабочая температура шины в нормальных дорожных условиях при температуре окружающей среды 20 С может достигать 130С. При такой температуре возникает опасность разрушения шины. Экспериментальные данные [15], также свидетельствуют о значительном влиянии отклонений внутреннего давления в шине относительно оптимальной на интенсивность износа шин. Характер изменения интенсивности износа протектора от изменении внутреннего давления близок к линейному.
Важное влияние на пробег шин передних управляемых колес оказывают углы установки. Так в работах [37,47] отмечается существенное влияние углов схождения и развала на равномерность износа протектора по ширине беговой дорожки и пробег шин.
Изменение износа шин при различных скоростях качения шины вытекает из работ [27,26,32,34,39,50,71] в которых показано следующее. Если за 100 % принять интенсивность износа протектора шин при движении автомобиля для средне эксплутационных значений (50-80 км/ч) скоростей, то при снижении скорости в 2-2,5 раза интенсивность износа уменьшается незначительно (на 10-25 %). В то время как при увеличении скорости в 1,5-2 раза интенсивность износа увеличивается на 50 %. Повышенный износ шин при высоких скоростях качения объясняется возрастанием динамических нагрузок на шины. В результате этого увеличивается проскальзывание элементов протектора, повышается температура шины, под действием которой ухудшаются упруго-прочностные свойства протекторных резин, снижая сопротивление истиранию. Однако следует также отметить, что увеличение скорости качения шины способствует не только росту температуры, но и изменению ее нагружения боковыми и продольными силами.
Влияние режимов нагружения шин боковыми и продольными силами на износ шин можно проанализировать на основании данных работ [1, 16, 17, 35, 38, 67]. В них установлено что в ведущем режиме при качений шины без увода (боковые силы отсутствуют) интенсивность износа протектора больше на 8-10 %, чем в ведомом режиме качения колеса. Увеличение продольной силы в два раза, по отношению к оптимальной, приводит к повышению интенсивности износа протектора в 2 раза. Отмеченная зависимость показана на рис.1.3.
Распределение силовых потоков в шине, при качении колеса по криволинейной траектории
При движении автомобиля по криволинейной траектории колесо катится по дуге окружности с уводом под действием боковой составляющей. При анализе распределения силовых потоков в шине, в процессе ее качения по криволинейной траектории, принимаем следующие допущения:
1) поворот происходит с малой скоростью (статический или «ползучий поворот»). Поэтому пренебрегаем влиянием на поворот центробежной силы;
2) взаимодействие колес с дорогой происходит только в пределах упругой деформации шин;
3) рассматриваются три вида деформации шин - продольная, поперечная и вращательная, которые не зависят друг от друга и подчиняются линейному закону изменения от силовых факторов. При качении шины по дуге окружности вектор скорости V колеса не лежит в плоскости качения колеса, а направлен под некоторым углом увода 8 к этой плоскости. В этом случае наблюдается поперечное скольжение колеса со скоростью Vs = V sin5
В месте контакта колеса с дорогой возникает поперечная реакция или реакция на увод колеса S. Кроме того, в плоскости качения действует продольная реакция Rx. При направлении из данной реакции в сторону качения колеса, имеем дело с ведущим колесом, если реакция направлена в противоположную сторону, то с тормозящим.
При повороте колесо имеет вращательное движение относительно вертикальной оси Z. В месте контакта колеса с дорогой возникает упругий реактивный момент Mz, направленный в противоположную сторону угловой скорости Q, которая равна скорости поворота автомобиля. Схема равномерного поворота колеса автомобиля показана на рис. 2.3. Свяжем оси координат XYZ с рамой автомобиля. При этом ось X -продольная ось автомобиля, ось Y - поперечная ось автомобиля и ось Z -вертикальная ось, поворота колеса, проходящая через центр контактной площадки колеса с дорогой, или центр поворота колеса.
Центры поворота колеса расположены на расстоянии ± в/2 от оси X, где через в обозначена ширина колеса автомобиля. Центр поворота автомобиля (точка 0) определяется двумя координатами: радиусом поворота R и смещением центра поворота X.
Поворачивающееся колесо автомобиля обозначим обобщенной векторной узловой точкой, схема которой показана на рис. 2.4.
Обобщенная узловая точка равномерно поворачивающегося колеса Обобщенная узловая точка имеет следующие потоки: поступательный или линейный поток (Fv), вращательный поток М и поступательный (R = Q + S). Помимо сказанного точка имеет два относительных потока: диссипативный поток упругой деформации шины (8) и активный поток (t) подводимый от трансмиссии автомобиля.
Поступательный поток имеет скоростной и силовой факторы, которые представим в виде V = RQ, (2.10) F = -R = -(Rx + Ry), (2.11) где: F - реакция рамы автомобиля, действующая на ось колеса; R - равнодействующая продольной и поперечной реакции дороги.
Поступательный поток состоит из двух полупотоков: активного FV и реактивного R. Условимся обозначить его линией с характерным зубчиком. Реактивный полупоток является заторможенным, так как внешнее скольжение колеса по дороге не рассматривается.
Вращательный поток узловой точки обозначен сплошной линией. Он состоит также из двух полупотоков: активного Mz и реактивного Мп. Силовым фактором активного полупотока является момент, поворачивающий колесо Mz и действующий со стороны рамы. Этот момент уравновешивается реактивным моментом Mzk дороги.
Согласно теории силового потока в рассматриваемом случае скоростным фактором вращательного потока является угловая скорость поворота автомобиля Q.
Рассматриваемые потоки описывают переносное движение колеса вместе с рамой в плоскости дороги. Однако колесо обладает также относительным движением по отношению к раме. Это движение описывается относительным потоком внутренних потерь в шине t.
Влияние дорожно-климатических условий эксплуатации на расход шин
В ходе статистических исследований списания шин большегрузных автомобилей - самосвалов в различных ГОКах выявлено наблюдаемое устойчивое увеличение числа отказов шин в летнее время, по сравнению с зимним, что прежде всего связано с повышением температуры окружающей среды, изменением состояния дорожного покрытия и с соответствую щим перегревом шин. Причем детальные статистические исследования свидетельствуют о существенном влиянии сезона года на расход шин, что подтверждает версию о существенном влиянии температуры окружающей среды.
Так в таблице 3.8 представлены данные о среднемесячной температуре воздуха за период 1997 - 1999 гг. по данным АМСГ «Мирный».
Как видно из таблицы 3.8 среднемесячная температура по сезонам года изменяется в широком диапазоне от -32,6 до +18,3 градуса Цельсия. В отдельные дни температура может достигать от -50С до +35С.
Анализ отчётных данных по ходимости шин в эксплуатации на Удачнинском ГОКе за период 1997 - 2000 годы позволил установить средний пробег шин до списания по видам дефектов и распределение отказов по сезонам года, которые представлены в табл. 3.9.
Анализ данных, приведенных в таблице 3.9 показывает, что пробег шин при списании по различным дефектам изменяется в широком диапазоне. Так если принять средний пробег шин по износу протектора за 100 %, то пробег по порезам составит 64 % от пробега по износу, а пробег по отслоениям до 75 %. Недопробег шин, выходящих из строя по порезам и отслоениям, приводит к снижению общего пробега шин в данных условиях эксплуатации на 22 % относительно пробега шин, вышедших из строя по причине износа протектора.
Количество шин, выходящих из строя в различные периоды года, так же изменяется в широком диапазоне и могут быть описаны определёнными закономерностями, которые позволят прогнозировать количество заменяемых шин. Поэтому ниже рассмотрим их более подробно.
Определение закона распределения отказов по причинам порезов по месяцам года Проанализировав данные таблицы 3.9. и, используя общую методику, обработки экспериментальных данных, приведённую в источниках [72, 73], проведём соответствующий расчёт и определим закон распределения, которому они подчиняются.
По данным таблицы ЗЛО. построим опытную графическую зависимость, на которую нанесем также наиболее близкий теоретический закон распределения (рис. 3.8).
На рис. 3.8 представлены данные изменения отказов шин по порезам по месяцам года. Как видно из графиков, распределение отказов по порезам в течение года хорошо согласуется с законом Вейбулла, который математически описывается следующей зависимостью F(x) = n-M"-x"-1-e-f "x", (3.7) где: п = 1,8; д. = 0,1677; х - месяцы года (1, 2, 3 и т.д.).
Проведенный анализ показал, что максимальное количество отказов по порезам наблюдается в весенний период, т.е. период распутицы, когда дорожное покрытие в карьере находится в неудовлетворительном состоянии. При этом поверхность дороги как правило, покрыта острыми камнями разрабатываемой породы, прослойка между которыми вымывается талыми водами.
Проанализировав данные таблицы 3.9, с помощью методики, приведённой в источнике [25], проведём соответствующий расчёт и получим закон распределения по рассматриваемому виду отказов.
На основе полученных данных построим график зависимости отслоения протектора шин автомобиля - самосвала по месяцам года, который представлен на рис. 3.9. Из графика вытекает, что количество отказов шин по этому виду дефекта в летнее время в 8 - 10 раз больше, чем в зимний период.
Такое соотношение отказов безусловно определяется температурным состоянием шины. Как известно, в зимний период при движении автомобиля происходит интенсивное охлаждение шин, поэтому рабочая температура шины снижается. В летний период помимо повышения температуры окружающей среды возрастает доля солнечной радиации.
В результате физико-химические свойства под влиянием высоких температур резко ухудшаются, а под действием значительных деформаций шины груженого автомобиля - самосвала и возникает выявленный эффект. Обработка анкетных данных позволила установить закономерность изменения отказов шин по отслоениям протектора по месяцам года в виде нормального закона распределения
