Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Структура проблемы. Анализ и обобщение результатов исследований, цель и задачи исследований 27
1.1 Основные свойства резин, современные взгляды на механизм старения полимерных материалов 27
1.2 Анализ климатических и дорожно-грунтовых условий использования AT 33
1.3 Анализ номенклатуры и ТТХ шин, уровень и полнота требований к отечественным шинам для полноприводных автомобилей 41
1.4 Колесный движитель в формировании потребительских свойств автомобиля 50
1.5 Номенклатура колесной AT, оценка ее технического уровня по параметрам шин 56
1.6 Современное состояние резиновой и шинной промышленностей РФ 66
1.6.1 Состояние резиновой промышленности 66
1.6.2 Оценка современного уровня ТТХ РТИ 69
1.6.3 Состояние шинной промышленности 77
1.6.4 Анализ принятых в мировой практике направлений развития резиновой и шинной отраслей для автомобильного транспорта 86
1.6.5 Тенденция и основные принципы совершенствования пневматических шин регулируемого давления и РТИ для AT 88
1.6.6 Перспективность новых разработок в области шин и РТИ 93
1.7 Ключевые показатели ТТХ шин и РТИ, методы их оценки, расчета и прогнозирования (теоретический анализ) 100
1.7.1 Сопротивление качению колеса 100
1.7.2 Тепловая нагруженность шин 108
1.7.3 Жесткость шин 113
1.7.4 Износостойкость шин 118
1.7.5 Срок службы шин 121
1.7.6 Проходимость автомобиля. Методы оценки показателей опорной проходимости автомобилей 124
1.7.7 Методы оценки работоспособности и прогнозирования сохраняемости и долговечности РТИ 133
1.7.8 Методы расчета напряженно-деформированного состояния РТИ 139
1.7.9 Методы модификация РТИ, синергизм свойств полимеров, механизм миграции фторированных ингредиентов 143
1.8 Выводы 153
1.9 Задачи и структура исследований 164
Глава 2 Обоснование уровня ключевых показателей ТТХ шин и полно-приводных автомобилей, критериев продолжительной работоспособности шин и РТИ (теоретические и экспериментальные исследования) 166
2.1 Оценка параметров шин и их влияние на показатели движения автомо билей по дорогам с твердым покрытием и бездорожью 166
2.1.1 Жесткость шин различных сроков службы 166
2.1.2 Энергетические затраты на качение колес (коэффициент сопротивления качению, температура разогрева шин). Ходимость шин и заметность автомобилей по ИК-излучению 176
2.2 Теоретическое обоснование критериев работоспособности шин и РТИ. Математическая модель изменения критериев работоспособности изделий...224
2.3 Выводы 246
Глава 3 Математическое моделирование качения колеса и движения автомобиля по деформируемому грунту. Оценка шин по жесткостным и конструктивным параметрам и их влияние на показатели опорной проходимости полно-приводных автомобилей (теоретические и экспериментальные исследования) 251
3.1 Основы построения и характеристика принятой для расчетов математической модели качения одиночного эластичного колеса по деформируемому грунту 251
3.2 Математическая модель прямолинейного движения автомобиля по деформируемому грунту 266
3.3 Метод оценки шин для AT повышенной проходимости 272
3.3.1 Предварительная оценка шин по показателю приведенной удельной нагруженности шин по объему 272
3.3.2 Расчетная оценка влияния жесткостных и других конструктивных параметров шин на показатели опорной проходимости автомобилей 281
3.3.2.1 Влияние жесткостных параметров (давления воздуха) шин 290
3.3.2.2 Влияние конструктивных параметров шин 304
3.3.3 Экспериментальная оценка выбора шин по ключевым показателям 312
3.4 Выводы 334
Глава 4 Теоретические предпосылки для исследования работоспособности резинотехнических изделий. Оценка сохраняемости, напряженно-деформированного состояния, рецептуростроения и модификации РТИ (теоретические исследования) 340
4.1 Сохраняемость РТИ 340
4.2 Сопротивляемость разрушению (длительная прочность) резин 343
4.3 Метод оценки сохраняемости РТИ 353
4.4 Обоснование резин и материалов при рецептуростроении РТИ 371
4.4.1 Рукавные РТИ 373
4.4.2 Защитные РТИ 376
4.5 Метод оценки напряженно-деформированного состояния РТИ. Расчет формы гофра и оптимизации профиля его сечения 384
4.5.1 Расчет НДС РТИ 384
4.5.2 Расчет формы гофра 389
4.5.3 Расчет оптимизации профиля сечения гофра 396
4.5.4 Определение статических напряжений в гофрах 402
4.6 Метод модификации резин. Моделирование кинетики миграции фторированного ингредиента из эластомера с лимитирующей стадией процесса, его совместимости, оптимизации состава и режима насыщения 409
4.7 Выводы 419
Глава 5 Ускоренная оценка сохраняемости и долговечности РТИ, прогно зирование их сроков службы. Определение основных показателей разработан ных резин, оценка их технологичности. Фтормодификация резин. Определение статических нагрузок НДС РТИ, оценка их динамической усталости и вибро устойчивости (экспериментальные исследования) 422
5.1 Рецептуростроение резин. Определение пластоэластических, физико-механических и вулканизационных показателей разработанных резиновых смесей 428
5.2 Изготовление РТИ и оценка технологичности резин 451
5.2.1 Изготовление опытных образцов рукавных изделий и оценка их технологических свойств 451
5.2.2 Изготовление опытных образцов защитных РТИ и оценка их технологических свойств 456
5.3 Методика и режимы испытаний РТИ, определяемые параметры и критерии оценки их сохраняемости по результатам термовлажностного старения резин. Расчет гарантийных сроков 460
5.4 Ускоренное термостарение резин, определение сроков сохраняемости РТИ 473
5.4.1 Ускоренное термостарение опытных резин защитных РТИ 473
5.4.2 Ускоренное термостарение опытных резин рукавных РТИ 479
5.5 Стендовые испытания рукавных РТИ 488
5.6 Фторорганическая модификация РТИ 490
5.6.1 Методика объемной и поверхностной фторорганической модификации РТИ. Результаты оптимизации состава и режимов насыщения 490
5.6.2 Методика ускоренных климатических испытаний РТИ на термо-светоозоностойкость. Результаты испытаний 494
5.6.3 Методика ускоренных климатических испытаний РТИ на термоокислительное старение. Прогнозирование времени гарантированного хранения РТИ по результатам ускоренного старения 498
5.6.4 Методика ускоренных климатических испытаний РТИ на озонное старение. Результаты испытаний 507
5.7 Определение статических нагрузок НДС РТИ, оценка их динамической усталости и виброустойчивости 516
5.7.1 Методика определения статических нагрузок НДС оптических и электрических моделей гофров защитных РТИ. Результаты исследований 516
5.7.2 Методика определения динамических испытаний защитных РТИ. Результаты исследований чехлов на динамическую усталость 531
5.7.3 Методика и результаты исследований защитных РТИ на виброустойчивость (косвенную жесткостную характеристику старения резины)...540
5.8 Эксплуатационные испытания РТИ 549
5.9 Выводы 558
Глава 6 Разработка Типажа пневматических шин регулируемого давления для серийных и перспективных полноприводных автомобилей, Банка данных РТИ системы каталогизации 566
6.1 Типаж пневматических шин регулируемого давления для серийных и перспективных полноприводных автомобилей 566
6.1.1 Концепция создания Типажа шин 566
6.1.2 Основные технические требования к шинам Типажа для пер спективных образцов AT 567
6.1.3 Типоразмерный ряд шин 570
6.2 Банк данных РТИ системы каталогизации предметов снабжения для AT 576
6.2.1 Характеристики РТИ 576
6.2.2 Формирование стандартных форматов описания и каталожных описаний предметов снабжения 581
6.2.3 Создание номенклатора РТИ в структуре каталога 586
6.3 Выводы 589
Глава 7 Разработка рекомендаций заводам промышленности и потребителям. Технико - экономическая оценка результатов исследований 592
7.1 Рекомендации заводам и потребителям по использованию шин Типажа и разработанных РТИ, предложения по повышению их уровня потребительских свойств 592
7.2 Технико - экономическая эффективность реализации результатов исследований 602
7.2.1 Технико - экономическая эффективность внедрения шин Типа
жа 602
7.2.2 Эффективность от внедрения результатов исследований РТИ 613
7.3 Выводы 618
Общие выводы 620
Список использованных источников
- Основные свойства резин, современные взгляды на механизм старения полимерных материалов
- Оценка параметров шин и их влияние на показатели движения автомо билей по дорогам с твердым покрытием и бездорожью
- Основы построения и характеристика принятой для расчетов математической модели качения одиночного эластичного колеса по деформируемому грунту
- Сопротивляемость разрушению (длительная прочность) резин
Введение к работе
Автомобильная промышленность является ведущей отраслью машиностроения, состояние и развитие которой оказывает значительное влияние на решение экономических, социальных, оборонных и научно-технических проблем страны. Армейские автомобили, это автомобили двойного применения, которые имеют достаточно высокий уровень приспособленности к экстремальным условиям эксплуатации. Но одновременно на указанных и других автомобилях в той или иной степени оставляют желать лучшего важные и общие для армейских и коммерческих (народнохозяйственных) автомобилей, показатели надежности, сохраняемости, долговечности, безопасности движения, топливной экономичности, комфортабельности и т.п. А при сегодняшней тенденции увеличения грузоподъемности автомобилей очевидны проблемы и с уровнем показателей опорной проходимости.
В новой финансово-экономической ситуации страны малые объемы выпуска полноприводных автомобилей как для армии, так и для народного хозяйства требуют больших затрат промышленности на содержание специального технологического оборудования, повышают себестоимость продукции в их производстве, которые разрабатывались по специальным требованиям, планировались к производству до недавнего времени директивными методами.
Данное обстоятельство заставляет либо снимать такие автомобили с производства, либо искать пути решения проблемы за счет доработки конструкции автомобилей и повышения их сроков службы, привлечения в круг их потребителей вместе с Министерством Обороны и других силовых ведомств, а также предприятий нефтяной, газовой, горнодобывающей, сельскохозяйственной, лесной, строительной отраслей, которые испытывают дефицит в полноприводных автомобилях с высокими удельными показателями. Наиболее близким по деятельности, направленной на разработку, создание и насыщение потребительского рынка России и других стран СНГ качественной автомобильной техникой, наряду с ведущим разработчиком военной автомобильной тех-
ники в лице ФГУП 21 НИИИ МО РФ, является межгосударственный ОАО "Автосельхозмаш - Холдинг".
Акционерами ОАО "Автосельхозмаш - Холдинг" являются большинство предприятий автомобильного и сельскохозяйственного машиностроения России, других стран СНГ и Балтии, в том числе ОАО "ГАЗ", ОАО "АвтоВАЗ", ОАО "Объединенный завод УРАЛ", ОАО "КАМАЗ", АМО "ЗИЛ", АО "Волгоградский тракторный завод", ОАО "ХТЗ", РУП "МАЗ" и другие.
Кроме того, особенно близки и условия использования автотранспорта в армии и сельском хозяйстве, где в большинстве случаев техника содержится на открытых стоянках машин (около 90%), используется сезонно и значительный период времени находится в режиме длительного хранения, эксплуатируется, в основном, по плохим разбитым грунтовым дорогам и бездорожью. В настоящее время продолжается дальнейшая интенсификация старения автомобильного и машинно-тракторного парка страны, как в армии, так и в сельском хозяйстве, где доля старых машин (со сроками службы 15, 20 и более лет) стремительно увеличивается. Кроме того, низкие темпы обновления автомобильного парка диктуют необходимость ужесточения требований к надежности AT.
Подлежащая исследованию проблема заключается в недостаточном уровне показателей ТТХ многих полноприводных машин, используемых в Российской Армии и сельском хозяйстве, и одним из направлений решения данной проблемы является повышение работоспособности и надежности эксплуатации автомобильного транспорта за счет обеспечения сохраняемости и долговечности шин и РТИ, уровня сохраняемости машин, то есть их способности сохранить в заданных пределах значение параметров, характеризующих выполнение требуемых функций в течение и после хранения (ГОСТ 27.002-89).
Объектом исследования являются шины и резинотехнические изделия, используемые на полноприводных автомобилях.
Предметом исследования являются процессы изменения функциональных свойств автомобильных шин, резинотехнических изделий и эксплуатационных показателей автотранспортных средств, комплекс методов, моделей и
методик, позволяющих выполнять оценку их основных параметров и эффективность разработанных решений.
Очевидно, что улучшение показателей AT в первую очередь связано с совершенствованием и выбором шин для AT, ибо все процессы, происходящие в агрегатах и узлах автомобиля и направленные на осуществление его движения, завершаются и реализуются в контакте шины с опорной поверхностью. Не маловажными деталями, обеспечивающими надежность и работоспособность наиболее ответственных систем, узлов и механизмов AT, являются РТИ.
Основное внимание в диссертации уделено ключевым показателям потребительских свойств автомобилей двойного применения, зависящим прежде всего от применяемых шин и резинотехнических изделий:
сопротивление качению во многом определяет затраты энергии на движение, а следовательно и топливную экономичность автомобиля, а также ограничивает его тягово-скоростные возможности, особенно на деформируемых грунтах, характеризующие способность и безопасность движения автомобиля в рассматриваемых условиях;
соответствие нагрузочных, размерных и жесткостных параметров шин условиям движения определяется, в основном, сопротивлением качению и тягово-сцепными возможностями автомобилей, особенно, на деформируемых грунтах, теплонагруженностью и ходимостью шин, безопасностью движения, надежностью и комфортностью автомобиля;
теплонагруженность шин (температура разогрева) характеризует уровень гистерезисных потерь и потерь на трение в контакте с опорной поверхностью, определяет сопротивление качению и ходимость шин на дорогах с твердым покрытием (а также уровень инфракрасного /ИК/ излучения и параметры заметности армейской техники со смонтированным вооружением для технических средств разведки);
жесткость шин и РТИ характеризует конструкция, рецептура резиновых смесей, продолжительность хранения и климатические условия эксплуатации,
их нагруженность, скорость движения автомобиля, давление воздуха в шинах, состояние грунта, определяет работоспособность и долговечность шин и РТИ;
срок службы шин и РТИ характеризует конструкция и материал шин, технология их производства и условия эксплуатации (продолжительность хранения, климат, температура, нагрузка, скорость движения, давление воздуха в шинах), определяет их покровное состояние и прочность;
сопротивляемость разрушению (длительная прочность) РТИ характеризует конструкция, рецептура резиновых смесей и условия эксплуатации (среда, место установки на автомобиле, климат, нагружение, продолжительность хранения), определяет срок службы изделий.
Решение данной проблемы сдерживалось в прошлом недостаточностью изученности рабочего процесса в шинах различных сроков службы и его влияния на топливную экономичность и проходимость автомобилей на различных грунтах, тягово-сцепные и скоростные свойства автомобилей, а также отсутствием совершенных методов оценки и прогнозирования показателей сохраняемости в комплексе, применительно к полноприводным автомобилям.
В ходе исследований не учитывались изменения физико-механических свойств в резинокордных материалах и шинах со значительными сроками службы, радиальных деформаций и напряжений, возникающих в отдельных элементах шин в процессе длительного статического нагружения, деформаций изгиба РТИ при циклическом сжатии-растяжении со скручиванием, жесткост-ных и демпфирующих параметров РТИ при гармоничных вынужденных колебаниях в зависимости от уровня их напряженно-деформированного состояния.
В большинстве работ рассматривались, главным образом, раздельно вопросы снижения сопротивления качению и повышения тягово-сцепных свойств шин на дорогах с твердым покрытием и в меньшей степени на деформируемых грунтах. В немногих работах рассматриваются соответствие нагрузочных, жесткостных и размерных параметров шин условиям движения, теплообразование в шинах. И крайне недостаточно работ, посвященных сохраняемости и долговечности РТИ.
Проблема недостаточной надежности и долговечности резинотехнических изделий РТИ подтверждена их отказами и повреждениями по результатам эксплуатации и обследования техники (более 50 % всех замечаний по преждевременным отказам РТИ относятся к рукавным и защитным изделиям - до 7 лет достигают по сроку службы около 52 % всех РТИ; до 10 лет - около 29 % и свыше 10 лет - лишь 19 %), а также необеспеченностью стойкости РТИ к воздействию факторов эксплуатации и хранения, низким качеством изготовления, особенно в последние годы, связанного с ухудшением ситуации с сырьевым обеспечением промышленности и отсутствием контроля на предприятиях при их изготовлении в связи с их переподчинением.
Решение этого вопроса затруднено недостаточным совершенством методов оценки и прогнозирования показателей сохраняемости образцов AT, отсутствием единых требований по стойкости машин к воздействию климатических факторов, большой продолжительностью испытаний для проверки существующих требований и ограниченностью теоретических исследований по вопросам сохраняемости AT.
Поэтому вопросы сбережения техники в процессе длительного хранения и эксплуатации за счет совершенствования методов ее защиты, внедрения новых конструктивных решений, перспективных резиновых материалов и способов их модификации являются в настоящее время весьма актуальными и своевременными.
В связи с этим, целью исследования является разработка научно-обоснованных рекомендаций по повышению сохраняемости и долговечности шин и РТИ на основе совершенствования методов оценки и расчетов их уровня эксплуатационных показателей и конструкций, разработок новых способов модификации резин и рецептур из перспективных каучуков.
Научная новизна работы заключается:
в разработке впервые Типажа пневматических шин регулируемого давления для серийных и перспективных полноприводных автомобилей, Банка данных РТИ системы каталогизации предметов снабжения для AT и в
исследованиях впервые применялась тепловизионная аппаратура "Termovision -782", работающая в реальном масштабе времени для оценки теплонагруженности различных участков шин;
в разработке научно-методического подхода для обоснования критериев работоспособности шин и РТИ, выбора и оценки эксплуатационных показателей шин для полноприводных автомобилей, в обосновании уровня ключевых показателей ТТХ полноприводных автомобилей и их шин;
в установлении закономерностей изменения основных характеристик шин и эксплуатационных показателей автотранспортных средств;
в разработке математической моделей оценки сохраняемости РТИ, показателей опорной проходимости, в установлении эмпирических зависимостей прогнозирования сроков сохраняемости шин и РТИ, закономерностей изменения их характеристик в процессе ДХ AT, их технического состояния и характера разрушения в процессе эксплуатации на AT;
в совершенствовании конструкции резиновых чехлов на основе оптимизации их профиля и формы, разработке метода расчета НДС и сечения гофра;
в разработке новых прогрессивных озоностойких материалов резиновых смесей на основе перспективных гидрированных каучуков, способов улучшения характеристик РТИ с помощью объемной фторорганической модификацией и поверхностного насыщения фтором, замены токсичных сульфонатных бутадиен-нитрильных каучуков для изготовления защитных РТИ парафинатными, технологической ориентацией на более прогрессивную пероксидную вулканизующую группу, исключения из состава резин импортных добавок, а также определение эффективных и рациональных дозировок отечественных ингредиентов;
в установлении характера протекания окислительных процессов модифицированных резин, оптимизации условий фторирования резин и процентного содержания модификаторов, позитивном влиянии совместного применения поверхностной и объемной модификации резин на озоностойкость и термоокислительное старение РТИ;
в разработке ТТТ, нормативных значений оценочных показателей шин и РТИ перспективных автомобилей на стадии их проектирования.
Практическая ценность исследований состоит:
в разработке научно обоснованных рекомендаций заводам шинной и резиновой промышленности по оптимизации некоторых рабочих характеристик шин и РТИ и дальнейшему их совершенствованию, рекомендаций автомобильным заводам и потребителям по снижению отрицательного воздействия длительного хранения, рациональному использованию шин Типажа и разработанных РТИ с 15-летней гарантией, предложений по повышению уровня потребительских свойств современных и перспективных полноприводных автомобилей за счет конструкторских, технологических и организационных мероприятий в производстве автомобильных шин и РТИ;
в разработке РТИ с улучшенными эксплуатационными характеристиками на основе совершенствования их конструкции, применения перспективных каучуков, новых способов фторорганической модификации резин как промежуточного этапа повышения надежности серийных РТИ до промышленного освоения производства новых разработок;
в улучшении ключевых показателей характеристик автомобилей повышенной проходимости для движения по дорогам с твердым покрытием и деформируемым грунтам, прогнозировании жесткостных характеристик и теплонагруженности шин, их влияния на тягово-скоростные и топливно-экономические показатели, опорную проходимость автомобилей и ресурс шин;
в прогнозировании изменений свойств полимеров и долговечности резин в процессе эксплуатации и хранения AT, определении рациональных режимов их использования, условий и способов содержания шин и РТИ на автомобильном транспорте;
в выборе шин для полноприводных автомобилей по их ключевым показателям и экспериментальным данным, обеспечивающих наибольшее соответствие нагрузочных, размерно-жесткостных параметров выбранных шин
автомобиля физико-механическим параметрам грунтов по показателям опорной проходимости;
в сокращении номенклатуры шин и ободьев при максимальной унификации последних с коммерческими образцами, затрат на эксплуатацию и хранение шин и РТИ, их снижении при проведении регламентированного технического обслуживания AT;
в конкретизации основных нормативных значений показателей шин и РТИ, включенные в ОТТ системы НТД и технические требования.
Обобщенный материал по результатам исследований был использован при разработке следующих документов:
руководств по эксплуатации автомобильных шин (изд. 1990 г.), хранению автомобильной техники и имущества (изд. 1987 г., изд. 1994 г., проект переработки изд. 2005 г.), нормам наработки (срокам службы) и списания автомобильной техники (изд. 1985 г., изд. 1996 г., проект переработки изд. 2005 г.);
норм расхода и инструкции по нормированию горючего, масел, смазок и специальных жидкостей при эксплуатации и ремонте автомобильной техники (изд. 1992 г.);
технических требований (изд. 1987 г., 1988 г.) и государственных стандартов на шины (изд. 1986-1990 гг., 2005 г.);
Типажа пневматических шин регулируемого давления для серийных и перспективных образцов ВАТ на 2003-2010 годы и Банка данных РТИ AT с 15 - летней гарантией (2001 г.).
На основании результатов работы:
увеличены гарантийные сроки хранения и эксплуатации шин с регулируемым давлением до 10 лет для автомобилей многоцелевого назначения и до 12 лет - для специальных колесных шасси, гарантийный срок службы резинотехнических изделий для AT до 15 лет;
установлена рациональная периодичность замены (освежения) шин -10-12 лет со времени их изготовления на автотранспортных средствах и не более 5 лет - на складах автомобильного имущества;
снижены нормы наработки до списания шин при эксплуатации в условиях жаркого климата - на 10% и за каждый год после 5 лет их хранения и эксплуатации - на 2,5% от основной нормы;
введена надбавка к основной норме расхода горючего при эксплуатации автомобилей с шинами со сроком службы 10 лет и более - 5%;
обоснованы способы содержания шин на автомобилях при кратковременном хранении (до 1 года) - без нагрузки колес и при длительном (более 1 года) хранении с обязательной разгрузкой колес в вывешенном состоянии.
Теоретические исследования, изложенные в диссертации, включали:
обоснование критериев работоспособности шин и РТИ, в том числе при напряженно-деформированном их состоянии, определение границ их области работоспособного состояния для проведения регрессионно-корреляционного анализа;
установление закономерностей, определяющих взаимосвязь эксплуатационных свойств автомобилей и изменений характеристик шин в процессе длительного статического нагружения;
определение закономерностей изменения прочностных характеристик РТИ, аналитических зависимостей прогнозирования их сроков службы и установления эквивалентных 15 годам режимов хранения и эксплуатации РТИ, согласуемых с их оценкой на озоностойкость, статическую и динамическую усталость резин;
разработку математического аппарата и методологических основ определения влияния срока службы шин на эксплуатационные показатели автомобилей и рациональной периодичности их замены;
разработку научно-методического подхода при определении области работоспособного состояния РТИ, их базовых показателей (прочности, удлинения и остаточной деформации резин); при всесторонней оценке напряженно-деформированного состояния защитных чехлов различных сечений и профилей; прочностных свойств при циклическом сжатии-растяжении со скручиванием и деформацией изгиба, жесткостных и демпфирующих параметров чехлов
при гармоничных вынужденных колебаниях в зависимости от уровня их напряженно-деформированного состояния; концентрации максимальных деформаций и краевых усилий в области закруглений в местах перехода оболочек и боковых поверхностей гофров; оптимизации формы модели и профиля переменного сечения гофра;
разработку метода оценки сохраняемости РТИ, определение путей повышения сохраняемости и долговечности РТИ на основе применения эффективных способов защиты резин, новых конструкций и прогрессивных материалов, прогнозирования их сроков службы, выявленных зависимостей критериев работоспособности РТИ от режимов и условий их функционирования, установления области работоспособного состояния РТИ из условий обеспечения технических требований к изделию, обусловливающих сроки их замены на AT;
разработку математической модели оценки сохраняемости и работоспособности РТИ на основе определения характерных (базовых) показателей при естественных и ускоренных испытаниях изделий, аппроксимации полученных зависимостей и нахождении соотношений между ними, полученных по известным расчетным зависимостям и (или) по результатам лабораторно-стендовых испытаний;
обоснование основных концепций разработки Типажа шин на 2003-2010г.г. с оценкой влияния параметров шин на ключевые показатели потребительских свойств AT, подготовку исходных данных и разработку ТТТ к новым шинам, предложений по повышению их надежности, структуре и содержанию Типажа перспективных шин;
разработку метода оценки шин по показателям их нагруженности и движения по опорной поверхности: предварительной оценки по показателю приведенной удельной нагруженности шин по объему, расчетной оценке опорной проходимости по уточненным математической модели и программе расчета движения автомобилей по деформируемым грунтам и экспериментальной оценке выбора шин по ключевым показателям их движения по дорогам с твердым покрытием и по деформируемым грунтам, при которой
устанавливаются наиболее предпочтительные основные показатели по сопротивлению качению и тепловой нагруженности шин, их критические значения, заметность по ИК-излучению, обеспечивается наибольшее соответствие нагрузочных, размерно-жесткостных параметров выбранных шин автомобиля физико-механическим параметрам грунтов по показателям опорной проходимости);
разработку метода расчетов напряженно-деформированного состояния чехлов сильфонного типа различных сечений и профилей гофров, математического аппарата, описывающего напряженно-деформированное состояние защитных чехлов различных сечений и профилей, их оптимальность, аналитические оценки материалоемкости сложных профилей и их геометрических параметров, регрессионные уравнения границ гофра и закономерностей изменений основных характеристик чехлов в процессе длительного хранения, расчеты гофров по стержневой схеме напряженно-деформированного состояния вдоль геометрической оси кривого стержня.
В диссертации приведены результаты экспериментальных исследований, в ходе которых рассмотрены физико-химические изменения, происходящие в шинах и резинокордных материалах в процессе хранения и эксплуатации AT, в том числе модифицированных резин, определены усталостная прочность каркасов и изнашиваемость протектора шин, изменения напряженно-деформированного состояния различных сечений и профилей РТИ, оценено влияние характеристик шин и РТИ разных сроков службы на эксплуатационные показатели автотранспортных средств, выявлены закономерности изменения критериев их работоспособности, проверены расчеты и оценки опорной проходимости AT, сохраняемости РТИ и старения резин.
Теоретические, экспериментальные исследования и расчеты автора сделали возможным повышение эффективности эксплуатации автомобилей с шинами и РТИ разных сроков службы, выражающиеся в наиболее полной реализации их эксплуатационных качеств на автомобильном транспорте, что позволило:
существенно улучшить ключевые показатели характеристик полноприводных автомобилей для движения по дорогам с твердым покрытием и деформируемым грунтам (снизить энергетические затраты на качение и температуру разогрева шин не менее чем в 1,3-1,5 раза, а также расход топлива на 10-15 %, повысить тягово-сцепные показатели до уровня лучших по проходимости образцов автомобилей, соответственно снизить заметность армейских автомобилей от технических средств разведки, в 1,7-2,1 раза повысить ходимость шин с одновременным существенным снижением эксплуатационных расходов);
определить рациональные режимы использования, условия и способы содержания шин на автомобильном транспорте (оптимальная периодичность замены шин не более 15 лет на AT и 5 лет на складах АТИ, разгрузка колес на открытых стоянках машин ДХ и их защита, установка в хранилищах упоров, предотвращающих излом каркаса шин при потере в них внутреннего давления);
разработать конкретизированные значения нормативных показателей в технических требованиях к шинам перспективных автомобилей (в ГОСТ 13298, ГОСТ РВ, Типаже шин) по соответствующим нагрузочным, размерным и жесткостным параметрам шин для движения по дорогам с твердым покрытием и деформируемым грунтам, сопротивлению качению, температуре разогрева шин и тягово-сцепным показателям на представительных типах грунтов;
разработать концепцию создания конструкции современной шины и типоразмерного ряда шин для полноприводных автомобилей:
- шина радиальная, бескамерная с соответствием нагрузочных и размерных параметров по приведенной удельной нагруженности по объему не более 8,0 тс/м3; тороидная или широкопрофильная с рисунком протектора повышенной проходимости при развитых грунтозацепах в плечевой части и расчлененным насыщенным по центру беговой дорожки; целиком металлокордная с избыточным регулируемым давлением воздуха и нормируемым радиальным прогибом при минимальном (10-12%) и номинальном (3-4 %) давлении от наружного диаметра; с разъемным
герметичным ободом и резинокордным распорным кольцом или внутренним неподвижным ограничителем деформации, обеспечивающими надежную посадку шины на обод и герметичность, а также исключающими проворачивание шины на ободе, как при наличии, так и при отсутствии внутреннего избыточного давления;
- типоразмерный ряд с базированием по нагрузкам на колесо в соответствии с действующим Типажом AT; соответствием нагрузочных и размерножест-костных параметров шин для движения AT по дорогам с твердым покрытием (по тепловой нагруженности и коэффициенту сопротивления качению) и деформируемым грунтам (по удельной нагруженности шин по объему); созданием физически подобных шин с масштабом подобия по нагрузке, равному кубическому масштабу по линейным размерам; обязательным прекращением производства диагональных шин и их замену более прогрессивными радиальными шинами той же размерности и только в бескамерном исполнении; применением на всех полноприводных автомобилях, в том числе и малого класса грузоподъемности (УАЗ, ГАЗ) системы регулирования давления воздуха в шинах; разработкой для СКШ крупногабаритных шин радиальной конструкции в бескамерном исполнении; кардинальным сокращением номенклатуры применяемых на AT шин для перспективных (до 8 типоразмеров) и серийных образцов (до 13 типоразмеров), ободьев колес при максимальной унификации последних с коммерческими образцами; использованием шин ЦМК, «каркасного» типа и ограничителей деформации шины как перспективным направлением совершенствования их конструкции; возможностью монтажа шин Типажа как с внутренним ограничителем деформации, так и без него на одинаковых ободьях без ухудшения показателей опорной проходимости; сокращением времени регулирования давления воздуха в шинах при использовании более производительного компрессора и установки вентилей по типу БК-5 с проходными отверстиями большего диаметра (8 и 10 мм вместо 5 мм); применением шин одинаковых размерностей для колесных тягачей и полуприцепов; обеспечением ремонтопригодности шин без проведения демонтажных работ, применением безопасных
(боестойких) шин;
прогнозировать жесткостные характеристики и тепловую нагруженность шин, их влияние на тягово-скоростные и топливно-экономические показатели, опорную проходимость автомобилей и ресурс шин;
разработать нормативные показатели РТИ, включенные в ОТТ системы НТД и технические требования: в части гарантийного срока службы, ресурса, условной прочности, твердости и относительного удлинения при разрыве, озоностойкости, накопления относительной остаточной деформации, коэффициента старения и др.
определить пути повышения сохраняемости РТИ на основе применения
эффективных способов защиты резин (комбинированным методом объемной
фторорганической модификации резин и поверхностного их насыщения фтором
- до 40 %), новых конструкций (защитных чехлов переменного сечения - в 2,3
раза) и прогрессивных материалов (защитных и рукавных РТИ на основе
гидрированных каучуков - в 3 раза), прогнозирования их сроков службы (до 15
лет) по результатам ускоренных климатических испытаний резин и РТИ на
режимах, имитирующих термовлажностное, термосветоозонное,
термоокислительное и озонное старение;
рассчитать профиль сечения и оптимизировать границы гофров защитных РТИ переменного сечения, снижающих максимальные напряжения в закруглениях гофрированных РТИ на 32,4% по сравнению с серийно-выпускаемыми чехлами постоянного сечения и перераспределяющих их на боковые стенки, увеличивающих жесткость конструкции почти в 2 раза до постоянной ее однородности при деформации;
прогнозировать прочностные характеристики РТИ, сроки их службы (до 15 лет) на основе установления эквивалентных режимов хранения и эксплуатации РТИ, согласуемых с их оценкой на озоностойкость, статическую и динамическую усталость резин;
сократить затраты на эксплуатацию и хранение шин и РТИ соответственно в 1,5 и 4,3 раза, снизить трудоемкость их технического обслуживания в среднем в 3 раза и решить некоторые аспекты экологической проблемы.
Результаты диссертационной работы апробированы, опубликованы и внедрены:
а) реализация результатов исследования:
Главным автобронетанковым управлением МО РФ при разработке Государственной Программы вооружений на 2001-2010г.г., в научно-исследовательской работе 21 НИИИ МО РФ и МГАУ при разработке и совершенствовании шин и РТИ для полноприводных автомобилей;
при разработке ГОСТ 13298 , ГОСТ РВ "Шины пневматические с регулируемым давлением для военной техники. Общие технические требования", Типажа шин на 2003-2010 г.г., различных ТУ,ОТТ и НТД;
в номенклатуре РТИ с 15-летней гарантией и Банке данных РТИ системы каталогизации предметов снабжения AT;
в приказах МО РФ, руководствах, инструкциях и др. руководящих документов по АТО, хранению, эксплуатации, списанию AT и АИ в ВС РФ;
заводами промышленности КАМАЗ, УРАЛАЗ, БЗКТ, УАЗ, Уральским и Саранским заводом РТИ, "Вожскрезинотехника", "Ярославрезинотехника", "Балаковорезинотехника", "РТИ-Каучук"и др. в конструкциях перспективных образцов полноприводных автомобилей, шин и РТИ;
в рекомендациях заводам шинной и резиновой промышленности по оптимизации некоторых рабочих характеристик шин и РТИ и дальнейшему их совершенствованию, рекомендациях автомобильным заводам и потребителям по снижению отрицательного воздействия длительного хранения, рациональному использованию шин Типажа и разработанных РТИ с 15-летней гарантией и доработанных конструкций, предложениях по повышению уровня потребительских свойств современных и перспективных полноприводных автомобилей за счет конструкторских, технологических и организационных мероприятий в производстве автомобильных шин и РТИ;
б) апробация работы:
основные результаты работы доложены и обсуждены на заседаниях НТС и научных конференциях 21 НИИИ МО РФ с 1981 по 2006г.г., в Горьковском политехническом институте в 1986 и 1987г.г., Всесоюзной конференции шиноремонтников (г.Ярославль, 5-9.09.1989г.), Диссертационном Совете К120.12.03 при МГАУ (г.Москва, 26.12.1994г.), Всероссийских научно-практических конференциях "Экологические проблемы стойкости техники и материалов" (г. Адлер, 29.10-1.11.1996г. и 27-29.04.1998г., РАН, Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н.Северцева, Субтропический испытательный центр), XXXIII международной научно-практической конференции "Компоненты для современного автомобиля" (г.Ижевск, 27-28.02.2001г., ИжМаш), 1-ой Всероссийской конференции по каучуку и резине (г. Москва, 26-28.02.2002г., НИИЭМИ), техническом комитете 97 "Шины пневматические для механических транспортных средств, их прицепов и авиационной техники" (г.Москва, 27-30.05.2002г., НИИШП), XIV и XVI симпозиумах "Проблемы шин и резинокордных композитов" (г. Москва, 20-24.10.2003г. и 17-21.10.2005г, НИИШП), 8-ом совещании производителей и потребителей шин по вопросам стандартизации и сертификации пневматических шин (г.Москва, 2-5 июня 2003г., НИИШП), Международной научно-практической конференции "Новые разработки в области производства изделий на основе эластомерных композитов" (г. Москва, 16-17.03.2004г., НИИЭМИ), Международной конференции по каучуку и резине IRC!04 (г.Москва, 1-4.06.2004г.,, НИИЭМИ), заседаниях Координационного Совета по созданию и совершенствованию шин (г.Бронницы, 2003-2005г.г.), 49 Международной научно-технической конференции ААИ "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров" (г. Москва, 23-24.03.2005г., МГТУ "МАМИ"); заседании секции НТКС Управления вооружения ВС РФ «Совершенствование работ по обеспечению заданных сроков хранения ВВТ и увеличению назначенных сроков службы» (г.Люберцы, 2.11.2005г., 13 ГНИЙ МО РФ);
в) публикации:
диссертация обобщает исследования автора за период с 1981 по 2006 г.г. Основные результаты работы опубликованы в 152 научных трудах, в том числе в 66 статьях, 2 государственных стандартах, 4 авторских свидетельствах и патентах на изобретение, 32 инструкциях, руководствах, рекомендациях, технических требованиях и 47 отчетах по научно-исследовательским работам.
Экономическая эффективность от внедрения разработанного Типажа шин для AT (ГАЗ-66, ЗИЛ-131, Урал-4320 и КрАЗ-255Б) только по замене диагональных шин радиальными с учетом их ходимости, стоимости и срока службы для каждого полноприводного автомобиля составила от 4,2 до 6,0 тыс. руб., от внедрения рациональной периодичности замены шин на автомобилях многоцелевого назначения - в среднем от 4,8 до 13,9 тыс.руб., от внедрения РТИ с 15-летней гарантией (только по защитным и рукавным РТИ) - от 3,9 до 8,5 тыс. руб., от внедрения защитных чехлов новой конструкции переменного сечения (на примере автомобилей малой грузоподъемности УАЗ-3151 и ГАЗ-66) - от 0,18 до 0,31 тыс руб. (в ценах 2005г.).
Итого, с учетом общего внедрения разработок автора экономический эффект из расчета на 1 тыс. автомобилей многоцелевого назначения при реализации рекомендаций по обеспечению надежности шин и РТИ составит значения от 15,1 до 28,7 млн. руб. в год.
С учетом же улучшения ряда показателей автомобилей с радиальными бескамерными шинами (снижение сопротивления качению, расхода топлива, теплообразования в брекере, заметности по ИК-излучению, повышение тягово-сцепных показателей на деформируемых грунтах, скорости движения, нагрузки на колесо, безопасности движения, ремонтопригодности), а также дополнительного повышения ходимости шин с ЦМК, износостойкости их протектора и снижения номенклатуры шин, применения новых разработок по резиновым смесям и конструкциям всей номенклатуры РТИ, новых технологий их производства, указанная эффективность возрастет не менее, чем на порядок.
На защиту выносятся:
система критериев работоспособности шин и РТИ, математическая модель их изменения;
Типаж шин для серийных и перспективных полноприводных автомобилей на 2003-2010г.г., основа его построения, направления совершенствования шин, конкретизация основных эксплуатационных требований к ним, типоразмерный ряд шин для AT повышенной проходимости;
метод оценки шин по ключевым показателям их нагруженности и движения по опорной поверхности, математическая модель оценки показателей опорной проходимости AT;
метод оценки сохраняемости РТИ, математическая модель работоспособности РТИ;
метод оценки напряженно-деформированного состояния защитных РТИ, расчет формы гофра и оптимизации профиля его сечения;
метод модификации резин, оптимизации состава и режима их насыщения фтором;
резинотехнические материалы с высокими физико-механическими свойствами, повышенной озоностойкостью и стойкостью к термоокислительному старению для AT;
закономерности изменения основных характеристик шин и эксплуатационных показателей автотранспортных средств; комплекс показателей, определяющих условия функционирования и процессы старения РТИ, зависимости прогнозирования сроков сохраняемости РТИ, закономерности изменения характеристик РТИ в процессе ДХ AT, характер протекания окислительных процессов модифицированных резин;
Банк данных РТИ системы каталогизации предметов снабжения для AT, основу его построения, формирование стандартных форматов описания, создание номенклатора РТИ в структуре каталога;
научно-обоснованные рекомендации для промышленности и потребителей.
Основные свойства резин, современные взгляды на механизм старения полимерных материалов
Резина, как и лежащие в ее основе натуральные или синтетические каучуки, является высокомолекулярным полимерным соединением. Особенности молекулярного строения каучука и резины обусловливает их физико-механические свойства (рисунок 1.1), в числе которых, прежде всего, следует назвать высокую деформируемость резины без разрушения. При деформации под действием приложенной нагрузки происходит вытягивание молекулярных цепочек и их скольжение относительно друг друга. После снятия деформирующих нагрузок молекулярные цепи под влиянием теплового движения принимают прежнюю конфигурацию, но их взаимное расположение может несколько измениться - это изменение характеризует остаточную деформацию каучука. При снятии внешней нагрузки упругая деформация мгновенно исчезает, затем медленно уменьшается высокоэластическая деформация, а пластическая - остается без изменения. Высокоэластическая деформация определяется не изменением межмолекулярных расстояний, как пластическая деформация, а лишь изменением формы и конфигурации длинных цепных молекул. Исчезновение высокоэластической деформации не имеет прямолинейной зависимости от величины напряжения и поэтому эта деформация носит запаздывающий характер, который определяет упругие "несовершенства" резины - явления релаксации и ползучести, упругий гистерезис или внутреннее трение в материале.
Известно, что большая часть сельскохозяйственной техники [2], как и армейской, используется сезонно и значительный период времени находится в режиме хранения. В процессе длительного хранения автомобилей на открытых площадках под действием световой радиации и озона воздуха, происходит «старение» резины, значительно изменяются ее физико-механические свойства, особенно жесткостные характеристики и прочностные свойства.
Для шин, кроме того, изменяется структура каркаса и прочность связи корда с резиной [1,3]. Выяснению механизма «старения» и изысканию возможностей сохранения заданных свойств полимеров и материалов на их основе посвящено достаточно большое количество работ отечественных и зарубежных ученых. В первую очередь это работы академика Семенова Н.Н. [4], Картина В.А. [5], Слонимского Г.Л. [5,6], Кузьминского А.С. [1,2,8], Догадкина Б.А. [9,10] и др. Из зарубежных ученых это работы Ле-Браза [11], Амбеланга И.К. [12], Коха В.Л. [13], Лоренца О.М. [14] и других. Но в ходе этих исследований не учитывались изменения физико-механических свойств резиновых и резино-кордных материалов, происходящие в резинотехнических изделиях и шинах различных сроков службы, радиальных деформаций и напряжений, возникающих в их отдельных элементах в процессе длительного статического нагруже-ния, а также влияние этих изменений на основные характеристики РТИ, шин и эксплуатационные показатели автомобилей [15]
Результаты исследований рабочего процесса шин и РТИ достаточно полно представлены в работах известных ученых, среди которых большой интерес представляют работы Чудакова Е.А., Агейкина Я.С., Антонова Д.А., Аксенова П.В., Балабина И.В., Басса Ю.П., Бидермана В.Л., Горячкина В.П., Кнороза В.И., Петрушова В.А., Платонова В.Ф., Пирковского Ю.В., Третьякова О.Б., Ульянова Н.А., Чистова М.П., Шухмана СБ., Юровского B.C., Яценко Н.Н., Беккера М., Вонга Дж., Ле-Браза и многих других [16-37]. Но в комплексе, применительно к полноприводным автомобилям, указанные исследования практически не проводились.
В большинстве работ рассматривались, главным образом, раздельно вопросы снижения сопротивления качению и повышения тягово-сцепных свойств шин на дорогах с твердым покрытием и в меньшей степени на деформируемых грунтах. В немногих работах рассматриваются соответствие нагрузочных, жесткостных и размерных параметров шин условиям движения, теплообразование в шинах и крайне недостаточно работ, посвященных сохраняемости и долговечности AT, изучению эксплуатационных свойств шин и РТИ, имеющим значительные сроки службы (10, 15 и более лет), различные условия и способы хранения.
Решение этого вопроса затруднено недостаточным совершенством методов оценки и прогнозирования показателей сохраняемости образцов AT [42], отсутствием единых требований по стойкости машин к воздействию климатических факторов, большой продолжительностью испытаний для проверки существующих требований и ограниченностью теоретических исследований по вопросам сохраняемости AT.
Основные теоретические положения по тепловому излучению нагретых тел, технике измерения, расчетным рекомендациям при распространении тепла в вещественной среде изложены в трудах [38-41] Брамсона М.А., Криксунова Л.З., Ллойда Дж. и Госсорга Ж. Конкретные приложения основных теоретических положений к методам расчета и оценки теплового излучения объектов автомобильной техники содержатся в трудах [43-45] ученых Тищенко В.А., Ведерниковой Е.А., Шумкина С.Н., Добрынина А.А. и Глебова О.П.
В настоящее время нет математической модели, объективно описывающей изменение во времени технического состояния РТИ при воздействии различных совокупностей факторов. В ряде работ [46-49] сделана попытка решения этой задачи. Однако, их результаты чаще носят условный относительный характер, или же описывают влияние на деталь (чаще образец резины) одного или двух факторов, изменение свойств резины при воздействии внешних факторов, но не учитывают особенности процесса старения различных марок резины в различных условиях их использования, а также влияния на работоспособность детали ее конструкции и степени нагружения.
Оценка параметров шин и их влияние на показатели движения автомо билей по дорогам с твердым покрытием и бездорожью
Жесткость шины является одним из важнейших факторов оценки работоспособности шин. Она существенно влияет на основные эксплуатационные показатели автомобиля, особенно на сопротивление качению, опорную проходимость, плавность хода, а также на экономические, тягово-скоростные свойства автомобилей, их сохраняемость и долговечность.
Наибольшее влияние на автомобиль оказывает радиальная жесткость шины, которая зависит от конструкции шины, рецептуры резиновых смесей, идущих на ее изготовление, давления воздуха в шине, ее нагруженности, скорости движения автомобиля, состояния грунта и дорожных условий, климатических условий эксплуатации и хранения, способов их содержания на автомобильной технике.
Определение характеристик изменения радиальной жесткости шин, особенно после длительного хранения, позволяет оценить качество шин, их тепловую нагруженность, силовую неоднородность шины, износостойкость, физико-механические показатели резин, ресурс шин и другие показатели, определяющие работоспособность и долговечность шин.
Кроме того, при построении типоразмерного ряда Типажа пневматических шин регулируемого давления для серийной и перспективной полноприводной AT концепция создания шин базируется на соответствии не только нагрузочных и габаритных параметров шин, а, в основном, жесткостных свойств шин условиям их эксплуатации на AT по дорогам с твердым покрытием и бездорожью на деформируемых грунтах.
При выполнении исследований для определения жесткостных характеристик шин различных сроков службы на стенде статических испытаний (рисунок 2.1) при нарастании вертикальной нагрузки и последующей разгрузки колес измерялись значения этих нагрузок и соответствующих им прогибов шин [32]. Измерения нагрузок для исследуемых шин проводились в диапазоне 2,5 кН для каждого задаваемого давления воздуха в шинах. Давления изменялись ступенчато от минимально-допустимого до номинального для каждого типоразмера шин через 0,05 МПа. Результаты измерений радиальной жесткости, прогибов и гистерезисных потерь в шинах различных сроков службы и климатических условий их хранения представлены в таблицах 2.1-2.6.
Анализ полученных зависимостей показывает, что общими качественными признаками рассматриваемых шин является нелинейность полученных характеристик, возрастающее несовпадение прогиба на ветвях загрузки и разгрузки (петля гистерезиса), уменьшающаяся радиальная жесткость шин со снижением давления воздуха в них, а также влияние на изменение радиальной жесткости шин степени их нагружения. Однако, названные параметры имеют существенные различия по количественным показателям для шин различных сроков службы и хранившихся в разных климатических районах страны.
Шины, хранившиеся в жарком климате и имеющие большой срок службы (15 лет) в сравнении с другими шинами одного типоразмера при низких давлениях воздуха имеют наибольшее несовпадение кривых загрузки и разгрузки в зависимостях Zm = f(GK), что предопределяет им более значительные гистере-зисные потери, а следовательно и большее сопротивление качению. Кроме того, эти шины более жестки как при минимальных, так и при номинальных давлениях воздуха в них, что безусловно снижает показатели их опорной проходимости на деформируемых грунтах [32].
При низких давлениях воздуха (0,05-0,15 МПа) радиальная жесткость шин, имеющих срок службы 15 лет в среднем на 29% выше (330 кН м" -12.00-18; 277 кНм 1 - 12.00-20), чем у новых шин, не подвергавшихся хранению (231 кН м"1 - 12.00-18; 198 кН м"1 - 12.00-20) и до 18% выше (736 кН м-1 -12.00-18; 741 кН м"1 - 12.00-20) при номинальных для твердых дорог давлениях по от илтшю киовт шинам(ffltdi- 1- й.ьо-ІИ; S?$ Ш-ыС -IZofr-zd)
Эти превышения в значениях жесткости для шин со сроком службы 10 лет несколько ниже 15-летних шин и составляют в среднем 17,5% (294 кН м"1 -12.00-18; 272 кН м 1 - 12.00-20 и 301 кН м"1 14.00-20) при низких давлениях и до 10% (661 кН м"1 - 12.00-18; 733 кН м"1 - 12.00-20 и 638 кН м"1 - 14.00-20 при номинальных. Для новых шин 14.00-20 при низких давлениях Сш=258 кН м"1, при номинальном - Сш=622 кН м"1 .
Радиальная жесткость шин 12.00-20 со сроком службы 10 и 15 лет при низких давлениях воздуха в них практически одинакова. Это объясняется по всей видимости рецептурой резин, так как в 15-летней шине содержится большее количество натурального каучука в брекере и протекторных резинах (40% против 21%), чем в 10-летней и это компенсирует разницу в возрасте шины.
Различие в значениях радиальной жесткости шин со сроком службы 5 лет в сравнении с новыми на всех давлениях незначительное, в отдельных случаях оно составляет до 5% в сторону ее повышения, в основном для шин жаркого климата при минимальных давлениях воздуха в них. Различие в значениях радиальной жесткости шин различных сроков службы, хранившихся в жарком климате по отношению к умеренному климату составляет в среднем по всем типоразмерам шин 7,5% в сторону ее увеличения в шинах жаркого климата.
Снижение радиальной жесткости шин различных сроков службы при максимальной нагрузке на шину в диапазоне давлений от номинального до минимально допустимого находится в пределах 56-62%. Здесь первое значение относится к 15-летним шинам, второе - к новым шинам. Различие в интенсивности снижения жесткости шин при этом составляет около 10%). Различия в интенсивности снижения жесткости между 10 и 15-летними шинами, 5-летними и новыми шинами незначительные. При различной степени нагружения шин их радиальная жесткость изменяется на 35-56%. Здесь первое значение относится к изменению жесткости шин при номинальных давлениях, второе значение -при минимальных давлениях.
Основы построения и характеристика принятой для расчетов математической модели качения одиночного эластичного колеса по деформируемому грунту
Основы построения и характеристика принятой для расчетов математической модели качения одиночного эластичного колеса по деформируемому грунту
Для достижения поставленной цели повышения проходимости полноприводных автомобилей различного класса грузоподъемности разработка расчетного метода определения показателей проходимости в отличие от экспериментального и его важность, позволяет не только оценить характеристики реального автомобиля, но и проследить влияние на эти показатели технических решений, что на реальном автомобиле сделать затруднительно, а порой и невозможно (изменение типоразмеров шин, распределения нагрузок по осям, различные типы трансмиссии и способы управления ею, соответствие размерных, жестко-стных и нагрузочных параметров шин и т.д.).
Оценочными показателями опорной проходимости приняты [194]: максимальный запас удельной силы тяги на крюке автомобиля (КТтах), коэффициент сопротивления качению (Q, максимальная скорость движения свободного автомобиля (Vmax), минимальный радиус поворота свободного автомобиля без потери проходимости (Rmi„), глубина образуемой после прохода свободного автомобиля колеи (На), давление на дне колеи в контакте колес с грунтом (q).
Все перечисленные выше показатели при экспериментальных исследованиях определяются на ровных горизонтальных участках с однородным грунтом или непосредственно (Rmin На, q), или через другие показатели по формулам: К _ тах _-ТІМЖі) Ра V _5 о ГШ-Гкі г -- - СХЛ\ Ga GaS Ga Т rm 2mKi где S, пкі, Т, Set, гкі (гк0і) - соответственно длина мерного отрезка (м), число оборотов г -го колеса на этом отрезке, время его прохождения (с), коэффициент пробуксовки г -го колеса и значение его радиуса качения (без буксования), м.
Для расчетного определения оценочных показателей движения автомобиля по деформируемым грунтам разработана математическая модель качения одиночного эластичного колеса по деформируемому грунту (расчетная схема представлена на рисунках 3.1 в режиме скольжения и 3.2 в режиме буксования), при построении которой приняты следующие допущения и предпосылки: рассматривается равномерное качение по ровному горизонтальному участку грунта со скоростью около 1м/с, давление в контакте колеса с грунтом определяется через глубину погружения элементов беговой дорожки колеса и распределяется равномерно по всей ширине контакта; зона контакта колеса с грунтом, ее положение и величина определяется: плоская зона - хордой экваториальной окружности шины с высотой сегмента, равной ее радиальному прогибу, криволинейная зона - цилиндром со свободным радиусом колеса, располагается от входа беговой дорожки в контакт с грунтом до плоской зоны; глубина погружения колеса соответствует глубине образуемой колеи.
Основные отличия новой модели состоят: в выборе новой расчетной схемы и исходной зависимости сопротивления грунта вертикальным нагрузкам, изменяющегося в соответствии с глубиной погружения элементарной площадки с поправкой на буксование, а не ее перемещением в контакте (циклоидой); в определении действующих в контакте нормальной и тангенциальной составляющих элементарной равнодействующей через их соотношения по закону Кулона и выражении любой пары составляющих элементарных сил через эти соотношения и принятую исходную зависимость; в учете изменений жесткостных характеристик шин разных сроков службы через радиальные прогибы шин.
Новая математическая модель качения колесного движителя автомобиля в целом является развитием ранее полученных моделей качения одиночного жесткого и эластичного колес, и движителя в целом [31,109,111].
В новой модели принята новая исходная зависимость (уточняющая [28,109 и 110]) по определению давления колеса в контакте с грунтом (q) через коэффициент (кд) снижения нормального удельного сопротивления грунта вдавливанию (рг) на глубину 1см (Нр) от скольжения, отражающая влияние режима качения на глубину образуемой колеи (Н):
Сопротивляемость разрушению (длительная прочность) резин
Сохраняемость - это свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и (или) транспортирования (ГОСТ 27.002).
В общих требованиях по сохраняемости AT (ГОСТ РВ 51789) изложены нормативы для РТИ, которые должны соответствовать требованиям ГОСТ 15160, 15159, 15158 и 15152, иметь регламентированный срок службы не менее 12 лет (приводные ремни, защитные чехлы, рукава /шланги/, уплотнители дверей и стекол кабины, а также работающие в контакте с топливом, маслами, смазками и специальными жидкостями - тормозные манжеты, армированные манжеты /сальники/, клапаны, прокладки и др.), трубопроводы из резины должны сохранять работоспособность в интервале температур от минус 50С (223 К) до плюс 120С (393 К).
В свете требований существующих руководящих документов автотехнического обеспечения (АТО) одним из главных направлений его развития и совершенствования является обеспечение длительной сохраняемости и своевременного восстановления автомобильной техники в различных условиях ее хранения и использования. В настоящее время тенденция к дальнейшему увеличению количества AT, содержащихся на ДХ и реорганизация в связи с этим структуры автомобильного парка страны определяют необходимость дальнейшего повышения эффективности системы подготовки и содержания машин на хранении.
Хранение AT на современном уровне развития страны является одним из основных этапов эксплуатации, при котором автомобильная техника содержится в специально отведенном для его размещения месте в заданном состоянии, что обеспечивает его работоспособность, приведение к использованию в течение установленных сроков. Необходимо учитывать, что работоспособность AT в решающей степени зависит от уровня надежности и эффективности мероприятий по обеспечению её безотказного функционирования, сохранению в течении продолжительного периода времени её эксплуатационных характеристик [206,207]. Автомобили с ограниченным расходом ресурсов должны сохранять потенциальные возможности эксплуатации, то есть - сохранять готовность выполнения заданных функций с максимальной вероятностью на любом случайном участке установленного интервала времени.
В настоящее время в ВС РФ, как и в сельском хозяйстве, значительное количество AT находится на хранении или используется с ограниченным расходом ресурсов, и количество такой техники, как уже указывалось ранее, постоянно увеличивается. Все больше накапливается машин со значительными сроками службы (20 лет и более), от готовности и надежности которых во многом зависит своевременное и в полном объеме выполнение возложенных на них различного рода задач. Поэтому, проблема поддержания готовности AT к использованию, находящейся на ДХ, приобретает большое значение.
В отличие от машин повседневной эксплуатации автомобили длительного хранения имеют большие сроки службы до очередного ремонта при малом расходе ресурса. Установлено [126], что при сроках службы до 6 лет тягово-динамические качества этих машин практически не изменяются, а возникающие отказы и неисправности существенного влияния на работоспособность основных агрегатов не оказывают. Но в дальнейшем (после 8 лет), уровень надежности AT значительно снижается, и к 15 годам уровень безотказности снижается в 4-5 раз.
Практика эксплуатации такой техники показала, что при ее использовании в очень жестких и средних категориях условий хранения, уже через 5-6 лет она имеет отказы, вызванные естественными процессами старения. При изучении условий использования автомобилей длительного хранения первоочередное внимание следует уделять изучению совокупности факторов окружающей среды и организации эксплуатации [208], которые влияют на сохраняемость машин. Особую значимость здесь имеет стойкость машин к воздействию климатических факторов, включающих в себя температуру, влажность воздуха, давление воздуха или газа (высота над уровнем моря), солнечное излучение, дождь, ветер, пыль, смены температуры, соляной туман, иней, гидростатическое давление воды, действие плесневых грибов, содержание в воздухе корро-зионно-активных агентов, снижающих характеристики и надежность агрегатов, узлов и систем. В связи с этим основной задачей структур, эксплуатирующих AT, является содержание AT на ДХ в таком состоянии, которое бы обеспечивало приведение машин в готовность к использованию по назначению в кратчайшие сроки, при минимальных трудовых и материальных затратах.
При анализе воздействия различных факторов важно установить степень их влияния на основные качества машин: исправность (работоспособность) и готовность к использованию по назначению. Процент выхода из строя AT ДХ по причине отказов РТИ тем выше, чем жестче условия хранения. Для более полного обеспечения сохраняемости AT ДХ предпочтительнее содержать ее в закрытых помещениях, особенно в условиях промышленной и морской атмосферы, что позволит исключить негативное влияние ряда факторов окружающей среды.
