Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Оценка потерь энергии при качении колесного пневматического движителя 9
1.2. Потери энергии при качении пневматической шины по твердой опорной поверхности 13
1.3. Качение колесных машин с блокированным приводом ведущих мостов 21
2. Теоретические предпосылки к предмету исследования 35
2.1. КПД колесного движителя с учетом составляющих потерь энергии и давления воздуха в шине при качении по твердой опорной поверхности 35
2.2. Влияние давления воздуха в шине на составляющие потерь энергии при качении колеса по твердой опорной поверхности 38
2.3. Определение рациональных значений давления воздуха в шинах колесных машин с блокированным приводом ведущих мостов при движении по твердым дорожным покрытиям 46
3. Методика экспериментальных исследований 60
3.1. Цель, задачи и методика экспериментальных исследований 60
3.2. Общая методика экспериментальных исследований 62
3.3. Методика измерения исследуемых параметров 63
3.4. Подготовка и проведение экспериментальных исследований 67
3.5. Система регулирования давления воздуха в шинах 70
3.6. Методика обработки результатов экспериментов 76
3.7. Проверка воспроизводимости опытов и адекватности математической модели 78
4. Результаты экспериментального исследования 81
4.1. Результаты экспериментальных исследований по определению рациональных давлений воздуха в шинах 81
4.2. Оценка эффективности использования рациональных давлений воздуха в шинах 91
5. CLASS Оценка экономической эффективност CLASS и 93
Литература 100
Приложения 111
- Потери энергии при качении пневматической шины по твердой опорной поверхности
- Влияние давления воздуха в шине на составляющие потерь энергии при качении колеса по твердой опорной поверхности
- Методика измерения исследуемых параметров
- Результаты экспериментальных исследований по определению рациональных давлений воздуха в шинах
Введение к работе
Актуальность темы. Увеличение производства сельскохозяйственной продукции невозможно без рационального использования каждой единицы мобильной техники. Неотъемлемой частью сельскохозяйственного производства являются транспортные работы, где наряду с автомобильной техникой широкое применение получили колесные тракторы типа Т-150К. Эти машины около половины времени заняты на транспортных работах, где наблюдаются наибольшие скоростные режимы и догрузка тракторов полуприцепами и прицепами.
Транспортные перевозки преимущественно осуществляются на дорогах с достаточно твердыми опорными поверхностями. На таких дорогах при работе тракторов Т-150К с обоими ведущими мостами (тракторы относятся к машинам с блокированным приводом ведущих мостов) в результате кинематического несоответствия между колесами разных осей (ввиду различия радиусов качения колес) может возникнуть циркулирующая паразитная мощность, являющаяся дополнительным, а порой и основным источником потерь энергии на качение. Кроме того, кинематическое несоответствие вызывает повышенный износ шин, поломку отдельных элементов трансмиссии, снижение устойчивости прямолинейного движения и др.
При этом, величина кинематического несоответствия зависит от давления воздуха в шинах, которое оказывает непосредственное влияние на деформацию шин и, следовательно, на радиусы качения колес. От величины давления также зависят потери энергии на качение и буксование, а это напрямую связано с топливной экономичностью машин.
Существующие в настоящее время общие рекомендации по давлению воздуха в шинах не в полной мере учитывают условия эксплуатации машин даже на транспортных работах по относительно твердым опорным поверхностям (изменение нагрузок на оси и т.д.) и, тем самым, не обеспечивают наивысших технико-экономических показателей при работе машин. Ранее прово-
5 димые исследования показывают, что правильный выбор давления воздуха в шинах может снизить расход топлива на 5...20 %.
Поэтому повышение топливной экономичности колесных машин с блокированным приводом ведущих мостов может решаться путем выбора рациональных давлений воздуха в шинах этих машин с учетом конкретных условий эксплуатации.
Актуальность данного направления подтверждается целевой программой ГКНТ ОЦ.048 и научно-технической программой ЧГАУ - тема № 8 «Разработать и освоить прогрессивные методы организации, технологические процессы, приборы и оборудование, обеспечивающие повышение уровня использования тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин».
В связи с изложенным сформулирована цель данной работы: снижение затрат энергии на качение колесных машин с блокированным приводом ведущих мостов при их движении по твердым опорным поверхностям путем выбора рациональных давлений воздуха в пневматических движителях.
В данной работе под объектом исследования, предметом исследования и научной новизной понимается следующее.
Объект исследования. Процесс взаимодействия с твердой опорной поверхностью пневматических движителей колесных машин с блокированным приводом ведущих мостов.
Предмет исследования. Закономерности взаимодействия и взаимовлияния элементов системы «пневматический колесный движитель - межосевой блокированный привод ведущих мостов - твердая несущая поверхность».
Научная новизна. Теоретически исследован КПД пневматического колесного движителя с учетом составляющих потерь энергии на его качение по твердой опорной поверхности. При этом определены те составляющие потерь энергии, которые при изменении давления воздуха в шине влияют на КПД колесного движителя. Это потери энергии на нормальную деформацию шины, тангенциальную деформацию шины и буксование колеса. Предложено выражение для определения потерь на нормальную деформацию шины в зависимо-
сти от нагрузки на колесо, геометрических размеров колеса и шины, плотности материала шины и давления воздуха в ней. Теоретический анализ влияния давления воздуха в шине на каждую составляющую потерь энергии позволил вывести зависимость для определения рациональных значений давления воздуха в шинах колесных машин с блокированным приводом ведущих мостов с точки зрения минимальных потерь энергии при движении машин. Эта зависимость справедлива для колесных машин с двумя и более активными осями при движении по твердым опорным поверхностям. Она позволяет определять рациональные давления воздуха в шинах в зависимости от распределения нагрузок по мостам машины и характеристик самих пневматических движителей. Справедливость данной зависимости подтверждена экспериментально.
Практическая значимость работы состоит в том, что результаты проведенных исследований позволяют на этапе проектирования определить рациональные параметры пневматических движителей, позволяющих снизить потери энергии при их качении. Зависимость для определения рациональных значений давления воздуха в шинах колесных машин с блокированным приводом ведущих мостов можно использовать как при эксплуатации машин, так и на стадии их проектирования. Для этого создано специальное программное обеспечение (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2000610907 от 14.09.2000 г.). Зависимость для определения рациональных давлений воздуха в шинах также может быть использована при создании систем автоматического регулирования давления воздуха в шинах.
Результаты исследований рекомендуются к использованию на заводах тракторо- и сельхозмашиностроения, автомобильной промышленности, на предприятиях по производству шин и колес, в конструкторских организациях и научно-исследовательских институтах, в ВУЗах, на сельскохозяйственных и других предприятиях, занимающихся эксплуатацией колесных машин.
Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях ЧГАУ (г. Челябинск, 1992...2003 гг.), Кустанайского СХИ (г. Кустанай, 1995 г.), ОГАУ (г.
7 Оренбург, 1996 г.), МГАУ (г. Москва, 1993 г.), всесоюзной научно-технической конференции (г.Тамбов, 1990 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 12 публикациях.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Содержит 127 страниц текста, включая 30 рисунков, 8 таблиц, 5 приложений, 125 наименований использованных литературных источников.
Потери энергии при качении пневматической шины по твердой опорной поверхности
Для исследования работы колеса используют и такой показатель, как коэффициент сопротивления качению. Формулы для определения коэффициента сопротивления качению в большинстве основаны на силовом сопоставлении (рис. 1.1) и служат для количественной оценки работы колеса. Поэтому они не позволяют в достаточной мере учитывать влияние различных факторов, в том числе и давления воздуха в шине, на величину коэффициента сопротивления качению. Это затрудняет сам процесс исследования работы движителя. Наиболее распространенное выражение для определения данного коэффициента имеет следующий вид [5, 6, 7, 10, 11, 12, 13, 18]
где f- коэффициент сопротивления качению; Rz - нормальная реакция на колесо, действующая со стороны опорной поверхности (для ровной опорной поверхности нормальная реакция Rz численно равна нормальной (вертикальной) нагрузке на колесо GK), Н. В приведенном выражении сила сопротивления качению представляет собой условную количественную характеристику колеса [6] и учитывает все виды потерь энергии на качение (как и нормальная реакция на колесо, сила сопротивления качению может быть довольно просто замерена при эксперименте). Сам коэффициент f является более общей безразмерной характеристикой сопротивления качению и также учитывает суммарные потери энергии (кроме потерь на буксование колеса) [6, 7, 12, 125], что не дает детально анализировать влияние давления воздуха в шине и других факторов на каждую составляющую потерь энергии при качении колеса.
Характеристики сопротивления качению можно определить двумя путями. Первый состоит в раскрытии внутренних связей и явлений, физических процессов, происходящих при качении эластичного колеса, катящегося по твердой или деформируемой опорной поверхности.
Второй путь основан на исследовании зависимостей между силовыми и скоростными факторами, которые находятся при совместном решении уравнений силового равновесия и мощностного баланса колеса [6]. С учетом второго пути и представлено выражение (1.10) для определения коэффициента сопро 15 тивления качению. Но несмотря на то, что в настоящее время еще нет исчерпывающего решения задачи чисто аналитического определения потерь на сопротивление качению эластичного колеса даже по твердой опорной поверхности, основанного на анализе происходящих в колесе физических явлений, первый путь предпочтительнее второго [6].
Одно из выражений, выведенное с учетом первого пути, предложено Смирновым Г.А. [6] (см. рис. 1.2)
rc ao -(rc -h)-sina0 где f0 - коэффициент сопротивления качению ведомого колеса; ao - угол между вертикалью, проходящей через ось колеса, и нормалью, проходящей через ось колеса и точку выхода шины из контакта с твердой опорной поверхностью, рад; h - наибольшая величина радиальной деформации колеса (шины), м; к - удельная сила внутреннего трения в одном элементе модели колеса (шины), Н.
Модель эластичного колеса По этой формуле нельзя непосредственно вычислить коэффициент сопротивления качению, т.к. в ней неизвестна величина удельной силы внутреннего трения. Однако, она уже дает представление о характере зависимости сопротивления качению от некоторых факторов [6]. Так, из формулы (1.11) видно, что при постоянстве всех остальных величин с уменьшением коэффициента к уменьшается и f0. Коэффициент к в свою очередь непосредственно зависит от материала шины и при улучшении рецептуры резины в сторону повышения ее упругости снижается. С улучшением рецептуры резины становятся меньше потери на качение, что и подтверждается выражением (1.11).
Данное выражение фактически определяет гистерезисные потери в шине (потери энергии, вызванные деформацией шины в результате действия на нее вертикальной нагрузки), т.к. данный метод основан на статическом нагру-жении колеса. Полной тождественности потерь при таком деформировании и качении колеса нет, но с точностью порядка 90...95 % (при условии вычисления работ на однократное сжатие-расширение шины по петле гистерезиса) метод может быть использован [6].
В то же время формула (1.11) имеет свои недостатки. В нее, например, не входит такой важный параметр, как давление воздуха в шине. Но давление воздуха в шине имеет большое, а в отдельных случаях и определяющее значение в вопросах оптимизации работы колесных движителей [2, 7, 10, 19, 20, 21]. Хотя в формуле и имеется косвенная связь между коэффициентом сопротивления качению и давлением воздуха в шине через некоторые величины (радиусы колеса, деформация шины, угол ао), все же трудно оценить такую связь, т.к. данные величины присутствуют в формуле как в числителе, так и в знаменателе. Причем между ними также наблюдаются различные математические соотношения, практически полностью затрудняющие анализ. Кроме того, при выводе формулы не сделано никаких предположений о зависимости величины к от давления воздуха в шине, что также затрудняет оценку влияния давления на коэффициент f0. Необходимо также отметить, что зависимость (1.11) выведена из условия качения шины по ровной твердой опорной поверхности. Поэтому ее применение для исследования качения колеса по деформируемым опорным поверхностям (например, по полю) практически невозможно, что также является существенным недостатком.
Влияние давления воздуха в шине на составляющие потерь энергии при качении колеса по твердой опорной поверхности
В разделе 2.1 отмечалось, что величина потерь энергии в пневматическом движителе в зависимости от изменения давления воздуха в шине определяется такими составляющими, как потери на нормальную деформацию шины (гистерезисные потери), тангенциальную деформацию шины и потери на буксование колеса. С учетом этого рассмотрим каждую из перечисленных составляющих потерь энергии и влияние на них давления воздуха в шине.
Гистерезисные потери энергии в шине это потери энергии, связанные с внутренним трением в материалах шины в результате ее нормальной деформации под действием вертикальной нагрузки на колесо. Для оценки гистере 39 зисных потерь нужно сравнить работу, затраченную на деформацию шины под действием вертикальной нагрузки GK (h - нормальная деформация шины), с работой при ее разгрузке. Работа Ад при нагружении шины равна площади ОАВ (рис. 2.1), а работа Ав при разгрузке - площади CAB. Отрезок ОС характеризует остаточную деформацию шины Ah (Ah = ОС), а площадь ОАС ту часть работы, которая была затрачена на внутреннее трение в материалах шины Аг. Площадь ОАС принято называть петлей гистерезиса, по которой может быть определена сила, нужная для преодоления внутреннего сопротивления при деформации шины [9].
Остаточная деформация Ah (после нагружения и разгружения колеса) может исчезнуть, если раскрутить колесо с определенной угловой скоростью со. При вращении колеса на шину действует центробежная сила инерции Fu, под действием которой шина вытягивается в радиальном направлении [65], или происходит приращение радиуса колеса [66, 67].
При деформации шины на величину h = OB под действием вертикальной нагрузки затрачивается работа Ад, при снятии же нагрузки - работа внутренних сил Ав. Эти силы уменьшают деформацию шины на величину отрезка ВС (рис. 2.1). При вращении колеса с определенной угловой скоростью затрачивается работа центробежных сил инерции Аи на преодоление остаточной деформации Ah, т.е. деформируемая область шины полностью возвращается в исходное состояние (полностью восстанавливается). Поэтому работа, затраченная на деформацию шины Ад, численно равна работе на ее восстановление или сумме работ Ав и Аи
В этом случае работа Аг, затраченная на внутреннее трение в материалах шины (гистерезис), численно равна работе центробежной силы инерции Аи, идущей на преодоление остаточной деформации Ah, вызванной потерями энергии (Аг). Поэтому для нахождения работы Аг достаточно определить равную ей работу Аи. Выражение (2.12) справедливо лишь тогда, когда при вычислении работы Аи принимается определенная минимальная угловая скорость вращения колеса со, при которой сила инерции способна преодолеть остаточную деформацию в шине.
Для определения работы Аи «рассечем» шину на бесконечно большое число п поперечных профилей (рис. 2.2). При этом работа, идущая на внутреннее трение в п-ном профиле Агп, будет равна работе силы инерции Аип, связанной с преодолением остаточной деформации у n-го профиля. Работу Аип = Агп можно найти следующим образом где FHn - центробежная сила инерции, отнесенная к массе n-го профиля, Н; mn - масса n-го профиля, кг; R - расстояние от оси вращения колеса до центра тяжести поперечного профиля, м; Rb R2 - расстояние от оси вращения колеса до центров тяжести профилей (соответственно до вертикального нагружения-разгружения профиля и после - при остаточной деформации Дп),м.
Методика измерения исследуемых параметров
В соответствии с задачами экспериментальных исследований были определены методы измерений и выбраны места установки датчиков. Выбор места наклейки тензодатчиков, способ наклейки, сушки, герметизация датчиков, выбор схемы соединений осуществлялись по рекомендуемым методикам [78,83,84,85,86,111, 112].
Нормальные реакции опорной поверхности фиксировались с помощью тензометрических датчиков, установленных на кожухи задних полуосей и пе 64 редние рессоры (рис. 3.1, рис. 3.2). Сигналы с датчиков поступали на усилитель «Топаз-4» и, далее, на осциллограф К-12-22. Изменение реакций опорной поверхности приводили к изменению сигналов, снимаемых с датчиков, что в конечном итоге фиксировалось на осциллографической фотобумаге. Усилитель «Топаз-4» и осциллограф К-12-22 использовались в соответствии с инструкциями по их эксплуатации [88, 89] и вместе с коммутационным оборудованием устанавливались в кабине трактора (рис. 3.3).
Скорость движения трактора регистрировалась с помощью «пятого» колеса, установленного на тракторе (рис. 3.4). Непосредственно на раме «пятого» колеса был смонтирован индукционный датчик (рис. 3.5), напротив которого (на самом колесе) были равномерно по окружности укреплены 12 магнитов. В момент прохождения магнита рядом с индукционным датчиком в нем возбуждался сигнальный импульс, который фиксировался частотомером. Частотомер 43-36 вел счет импульсов в течении 10 секунд и выдавал сообщение об их количестве на цифровом табло. Поэтому, если скорость оставалась постоянной, количество импульсов за каждые последующие 10 секунд также оставалось постоянным. Время отсчета импульсов (10 секунд) задавалось самим частотомером. Использование частотомера осуществлялось в соответствии с инструкцией по его эксплуатации и другими рекомендациями [83].м
Расход топлива во время проведения испытаний измерялся посредством расходомера ИП-179 согласно инструкции по его использованию [87]. Датчик расходомера был установлен в топливную магистраль между фильтром грубой очистки топлива и подкачивающим насосом (рис. 3.6). Электронный блок расходомера устанавливался в кабине трактора. В начале опыта расходомер включался и электронный блок начинал считать количество импульсов, поступающих от датчика расходомера (одному импульсу соответствует определенное количество топлива). В конце опыта счет заканчивался и с табло электронного блока снимались показания - суммарное количество импульсов за опыт.
Перед началом проведения испытаний и после их окончания проводилась тарировка тензометрических узлов. При тарировке тензометрических узлов применялись весы ВА-15 с погрешностью ± 1 %. Тарировка осуществлялась многократным применением статической нагрузки по известным методи 68 кам [76, 91,114]. Для обеспечения необходимой точности процессы нагрузки и разгрузки проводились по 5 раз. Обработка результатов тарировки сводилась к нахождению функциональной зависимости между отклонением луча осциллографа hi и значением нормальных реакций опорной поверхности на колеса Rz, а также к определению масштабного коэффициента Км. Учитывая, что опытные данные тарировки описываются, как правило, нормальным распределением, то после обработки опытных данных по методу наименьших квадратов Км найдется из следующего выражения
Результаты экспериментальных исследований по определению рациональных давлений воздуха в шинах
Результаты экспериментальных исследований по определению рациональных давлений воздуха в шинах обрабатывались с помощью системы MathCAD [119]. Для этого результаты экспериментов каждой серии были сведены в таблицы 4.1-4.5. При этом давления воздуха в шинах наиболее нагруженной передней оси оставались постоянными в каждой серии экспериментов Рп = 0,18 МПа.
На основании данных таблицы 4.1 найдем уравнение регрессии, описывающее зависимость расхода топлива от давления воздуха в шинах задней оси с помощью системы MathCAD. Для этого зададим столбцы исходных данных (давления в шинах задней оси Pz = X) и результатов (часового расхода топлива Ge, = Y):
С помощью встроенных операторов проведем регрессию второй степени и найдём коэффициенты регрессии: z : = regress(X,Y, 2) с submatrij z.S, length(z) - 1,0,0) cT= [" 13.056538 -24.783217 172.727273]
Уравнение регрессии для движения трактора с пустым полуприцепом (загрузка 0 %) и распределения реакций опорной поверхности по осям трактора 2Rzn = 53650 Н, 2RZ3 = 33400 Н имеет вид: Ge0%= 172,73 Р32-24,783 Р3+ 13,057, (4.1) где Ge - расход топлива, кг/ч; Р3 - давление в шинах задней оси, МПа. Зависимость расхода топлива от давления в шинах задней оси, построенная по уравнению (4.1), приведена на рис. 4.1. Ge, кг/ч Найдем рациональное давление в шинах задней оси для движения трактора с пустым полуприцепом (загрузка 0 %), при котором расход топлива минимален. Для этого найдем производную функции (4.1) и приравняем ее к нулю: 345,46 Рзрац0% - 24,783 = 0 (4.2) Отсюда рациональное давление воздуха в шинах Р3 рац0% = 0,072 МПа. Экспериментальные данные для серии экспериментов при движении трактора с полуприцепом, загруженным на 25 %, приведены в табл. 4.2. По аналогии с предыдущими математическими преобразованиями найдем уравнение регрессии для движения трактора с полуприцепом (загрузка 25 %) и распределения реакций опорной поверхности по осям трактора 2Rzn = 53020 H,2RZ3 = 35300 Н Ge25% = 216,68 Рз2-33,639 Р3 + 13,886. (4.3) Зависимость расхода топлива от давления в шинах задней оси, построенная по уравнению (4.3), приведена нарис. 4.2. Приравнивая к нулю производную функции (4.3), найдем рациональное давление в шинах задней оси для движения трактора с полуприцепом, загруженным на 25 %, при котором расход топлива минимален: Р3 рац25% = 0,078 МПа. Экспериментальные данные для серии экспериментов при движении трактора с полуприцепом, загруженным на 50 %, приведены в табл. 4.3. Уравнение регрессии, описывающее зависимость расхода топлива от давления в шинах задней оси для движения трактора с полуприцепом, загруженным на 50 %, имеет следующий вид: Ge50% = 286,96 Р32 - 53,98 Р3 + 15,707. (4.4)
Зависимость расхода топлива от давления в шинах задней оси, исходя из равенства (4.4), имеет следующий вид (рис. 4.3)
Аналогично найдем рациональное давление в шинах задней оси для загрузки 50 %: Рзрац50% = 0,094 МПа.
Экспериментальные данные для серии экспериментов при движении трактора с полуприцепом, загруженным на 75 %, приведены в табл. 4.4.
Уравнение регрессии, описывающее зависимость расхода топлива от давления в шинах задней оси для движения трактора с полуприцепом, загруженным на 75 %, имеет следующий вид:
