Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 10
1.1.. Эффективность функционирования автопоездов и факторы, ее определяющие . 10
1.2. Критерии оценки эффективности функционирования автопоезда в сложных дорожных условиях 12
1.3. Пути улучшения функционирования автопоезда 17
1.3.1. Общая характеристика способов повышения проходимости 17
1.3.2. Повышение тягоао-сцепных качеств автопоездов 21
1.3.3. Использование сцепного веса прицепа для формирования тяго-вого усилия автопоезда 24
1 А, Анализ НИР, направленных на изучение полноприводных автопоездов „ 27
1.5. Обобщение по главен задачи исследования 31
2. Теоретические исследования улучшения функциони рования полноприводных автопоездов в сложных дорожных условиях и по бездорожью 33
2.1. Исследование тягового и мощностного баланса автопоезда с активным приводом колес прицепа 34
2.2. Влияние формы, размеров и частоты неровностей опорной поверхности на коэффициент сопротивления движению автопоезда ~. 41
2.3. Определение рациональных режимов использования активного привода прицепа 50
2.4. Обоснование рационального характера распределения мощности между тягачом и прицепом 56
2.5. Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на функционирование полноприводных автопоездов 60
2.5.1. Влияние распределения веса между тягачом и прицепом на эффективность применения активного привода прицепа 61
2.5.2. Влияние кинематического несоответствия между мостами автопоезда на эффективность применения активного привода прицепа... 65
2.6. Обобщенияпо главе 68
3. Методикаэкспериментального исследования 71
3.1. Общая методика экспериментального исследования 72
3.1.1. Критерии оценки проходимости 72
3.1.2. Объект испытаний 73
3.1.3. Измеряемые величины 75
3.2. Частная методика проведения экспериментального исследования 76
3.2.1. Измерительно-регистрирующий комплекс 76
3.2.2. Оценка погрешностей измерительной аппаратуры 79
3.3. Условия и порядок проведения экспериментальных исследований 81
3.4. Определение минимального количества повторных опытов 85
3.5. Оценка достоверности экспериментальных данных 86
4. Результаты экспериментального исследования 88
4.1. Предварительный эксперимент 88
4.1.1. Объемный привод 88
4.1.2. Параметры взаимодействия с опорной поверхностью 89
4.1.3. Дополнительное сопротивление при движении по неровностям дороги 91
4.2. Оценка адекватности математической модели 94
4.3.Оценка эффективности применения активного привода прицепа 96
4.4. Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на эффективность применения полноприводного автопоезда 99
4.4.1. Влияние весовых соотношений тягача и прицепа на эффективность применения активного привода прицепа 99
4.4.2.Влияние кинематического несоответствия тягача и прицепа на эффективность применения активного привода прицепа 101
4.5. Определение рациональных режимов использования активного привода прицепа 103
4.6. Технико-экономическая оценка результатов исследования 104
4.7. Обобщения по главе 112
Заключение 114
Список использованных источников
- Критерии оценки эффективности функционирования автопоезда в сложных дорожных условиях
- Определение рациональных режимов использования активного привода прицепа
- Частная методика проведения экспериментального исследования
- Дополнительное сопротивление при движении по неровностям дороги
Введение к работе
Актуальность темы. Вопросы транспортировки различного рода грузов автомобильным транспортом экономически более выгодно решаются с помощью применения автопоездов. Так, например, себестоимость перевозок автопоездами ниже, чем себестоимость перевозок на одиночных автомобилях на 25...50 %. При применении большегрузных автопоездов себестоимость перевозок сокращается еще более существенно (до 2. .5 раз). Если учесть, что в общем балансе транспортных затрат народного хозяйства доля автомобильных перевозок весьма велика, то будет ясна важность широкого внедрения перевозок с помощью автомобильных поездов во всех звеньях подвоза.
Однако рост перевозок с помощью автомобильных поездов существенным образом сдерживается недостаточной их проходимостью и невозможностью в связи с этим широко использовать автопоезда в районах с малой сетью усовершенствованных дорог.
По этой же причине использование автопоездов для многих видов специальных перевозок (вывозка урожая непосредственно с поля, удобрений на поля, транспортировка к месту укладки газопроводных труб и т.д.) крайне затруднено и во многих случаях невозможно. Естественно, что недостаточная проходимость автопоездов также значительно ограничивает их применение и для транспортировки различных воинских грузов.
Активизация осей прицепов и полуприцепов позволяет без существенных усложнений достаточно просто и радикально решить проблему проходимости на основе использования выпускаемых промышленностью базовых моделей автомобилей.
Отличительной особенностью использования полноприводных авгопоезлов
явяется наличие в каждый конкретный момент большого количества возможных комбинаций режимов работы ведущих колес, зависящее от характера распределения мощности между движителями автопоезда. Это особенно явно проявляется при криволинейном движении, движении по деформируемым грунтам и по неровным опорным поверхностям, когда часть колес работает в ведущем режиме, часть - в ведомом, свободном, нейтральном или даже тормозном. Все это, безусловно, сказывается на тягово-скоростных свойствах, проходимости и экономичности полноприводного автопоезда
Поэтому решение вопроса о рациональном распределении энергии двигателя между движителями автопоезда является актуальной задачей.
Целью работы является улучшение функционирования1 полноприводных автопоездов путем рационального распределения энергии двигателя между движителями в зависимости от дорожных условий.
Объект исследования - тягач и прицеп с обшей колесной формулой 10x10
Предмет исследования - взаимосвязь между качеством опорной поверхности и необходимым количеством движителей многоосной полноприводной машины
Под термином «функционирование» понимается повышение проходимости с возможно минимальным расходом энергии на движение в заданных дорожных условиях с возможно максимальной скоростью
Методы исследования: прикладная механика, теория фунтов, теория движения автомобиля, инженерный эксперимент, теория вероятностей и математического анализа, математическое и физическое моделирование.
Научная новизна'.
- уточнена математическая модель движения многоосных полноприводных
колесных машин учетом дополнительного сопротивления движению от неровностей
опорной поверхности, позволяющая: анализировать на стадии проектирования
влияние конструкции трансмиссии, соотношения масс тягача и прицепа на
параметры движения по заданной опорной поверхности; устанавливать взаимосвязь
между технико-экономическими показателями полноприводного автопоезда и
распределением мощности между движителями; определять пределы рациональных
значений коэффициента распределения тяговых усилий между движителями
тягача и прицепа с учетом конструктивных параметров автопоезда (линейных
размеров, компоновки и комплектации), веса перевозимого груза и скорости;
-обосновано необходимое количество и сочетание ведущих мостов (колес), подключаемых к двигателю в многоосном полноприводном автопоезде в зависимости от типа опорной поверхности и соотношения масс тягача и прицепа;
-обосновано рациональное распределение энергии двигателя между движителями в зависимости от типа опорной поверхности и соотношения масс тягача и прицепа.
Практическая ценность заключается.
в повышении проходимости и улучшении топливной экономичности полноприводных автопоездов при движении по плохим дорогам и бездорожью;
в возможности проектирования гидропривода к движителям прицепа на базе гидропривода, защищенного свидетельством на полезную модель;
в методике определения необходимого количества ведущих мостов (колес) в зависимости от дорожных условий.
Реализация результате работы.
Результаты выполненной работы используются:
ФГУП 21 НИИИ МО РФ при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ;
НТК ГАБТУ МО РФ при разработке общих тактико-технических требований к полноприводным автопоездам и технических заданий на их разработку, а также оценке технического уровня разработанных образцов полноприводных автопоездов;
- при проектировании прицепов ОАО «Уралавтоприцеп» и внедрены в
учебном процессе ЧВВАКИУ (ВИ), РВАИ, Общевойсковой академии ВС РФ.
Апробация работы.
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (военного института) (1999-2004), межвузовских научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (2001-2004) и Челябинского государственного агроинженерного университета (2000-2004), IX международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов» (Пенза, 2004), международной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: актуальные проблемы теории и практики, научная работа и
образование» (Челябинск, 2004), межрегиональной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» (Омск, 2004).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 работах, по результатам работы получено Свидетельство РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 129 страниц, включая 34 рисунка и 16 таблиц, состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (158 наименований) и приложений.
Критерии оценки эффективности функционирования автопоезда в сложных дорожных условиях
Одним из основных достоинств автомобильного транспорта (AT) является возможность доставки грузов непосредственно к месту их использования.
Хотя автомобили и предназначены для движения по специально подготовленной поверхности - автомобильной дороге, они в отличие от железнодорожного транспорта способны функционировать и по естественной поверхности земли без предварительной подготовки пути, с незначительной подготовкой, не требующей больших капитальных затрат. Эту способность автомобилей характеризует специальное эксплуатационно-техническое свойство -проходимость.
Под проходимостью понимается способность AT двигаться вне дорог, выполняя при этом возложенные на нее транспортные или другие функции /4,5,22,101/.
Высокие показатели проходимости обеспечивают эффективное функционирование AT в период распутицы, дождей, зимой, в условиях лесисто-болотистой местности за счет создания конструкций, в наибольшей мере приспособленных к конкретным тяжелым условиям их использования, и создания AT особо высокой проходимости для заболоченных районов и районов с глубоким снежным покровом.
Значение проходимости автомобилей находится в обратной зависимости от плотности сети дорог с твердым покрытием. Однако в какой-то мере это значение сохраняется и для районов с хорошо развитой дорожной сетью, так как и здесь не исключена необходимость подвоза грузов в места, отстоящие в стороне от дорог.
Рассмотрение проходимости автомобилей необходимо для решения следующих важных народнохозяйственных задач: - повышения эффективности использования большого парка автомоби м лей на фунтовых дорогах в период распутицы, дождей, зимой, на песке; - создания оптимальной конструкции автомобилей, в наибольшей мере приспособленных к конкретным тяжелым дорожным условиям их использования; - создания автомобилей особо высокой проходимости для заболоченных районов страны и районов с глубоким снежным покровом. т Автомобиль в течение всей своей истории непрерывно совершенство вался в направлении повышения эксплуатационных качеств на дорогах с твердым покрытием. Вместе с тем постоянно велись работы и по созданию автомобилей для работы на грунтовых дорогах и вне дорог. Отечественной промышленностью созданы полноприводные автомобили, обладающие высокой проходимостью (УАЗ-3151, ГАЗ-3308, ЗИЛ-49061, Урал-4320.31, КамАЗ-5350, КрАЗ-260, МЗКТ-7980), разработаны новые типы вездеходных ь шин (с регулируемым давлением, широкопрофильные, арочные, пневмокат ки)/32, 36, 38,39,41/.
Значительно возросли возможности использования автомобилей вне дорог, а также возможности по созданию еще более эффективных автомобилей высокой проходимости и по повышению проходимости массовых дорожных автомобилей.
Закономерности движения автомобиля по грунтовым поверхностям значительно сложнее, чем по дорогам с твердым покрытием - механические свойства грунтовых поверхностей очень многообразны и нестабильны, характер их деформируемости сложен и недостаточно изучен. Для решения многих задач еще нет общепризнанных методов. Ряд важных вопросов находится лишь на начальной стадии обсуждения и разрешения. Все это затрудняет практическое использование накопленных, но весьма разрозненных результатов научных исследований.
Понятие о проходимости является комплексным, более широким, чем понятие о некоторых других эксплуатационных свойствах колесных машин.
Для определения показателей проходимости необходима оценка тяговых свойств автомобиля, поворачиваемости и устойчивости, а, кроме того, плавности хода и топливной экономичности. Таким образом, оценка проходимости автомобиля сводится к оценке многих его эксплуатационных свойств.
Проходимость можно подразделить на опорную и геометрическую (профильную). Первая определяет возможность движения колесных машин по грунтам и поверхностям с малой несущей способностью, т. е. по поверхностям, значительно деформируемым при движении машин. Геометрическая проходимость характеризует возможность преодоления машинами различных преград в плане и профиле, т. е. возможность преодолевать рвы, эскарпы, двигаться среди ям, деревьев и т. д.
Поскольку эффективность автопоезда так или иначе связана с возможностью движения машины, то в ее измерении и оценке должны быть показатели, от которых непосредственно зависит возможность этого движения. При оценке эффективности функционирования автопоезда этими показателями являются сила сопротивления движению и суммарная сила тяги колес машины, т. е. те же показатели, которые определяют возможность движения машины не только по неусовершенствованным дорогам и местности, но и в любых условиях, в том числе и по усовершенствованным дорогам. Возможность движения автомобиля определяется условием /5/
Определение рациональных режимов использования активного привода прицепа
При качении колеса угол /? будет уменьшаться, следовательно, будет уменьшаться и к . В момент выхода колеса на горизонтальный участок (точка d) значение к будет равно:
При положении оси колеса в точке С к будет равно нулю. Таким образом, проведенный анализ показывает, что движение автомобиля по неровностям ОП сопровождается большим дополнительным сопротивлением, которое необходимо учитывать при проектировании трансмиссий автомобилей и автопоездов, а для этого необходимо дополнить и корректировать математические модели движения колесных машин.
Опорные поверхности, используемые для движения автомобилей, как правило, имеют случайный микропрофиль, меняющийся даже в пределах одного участка.
Микропрофиль дороги (опорной поверхности) будем рассматривать как случайную функцию со следующими допущениями: функция стационарна и эр-годична; ординаты микропрофиля подчиняются нормальному закону распределения; длины неровностей ограничены; микропрофиль меняется случайным образом только в вертикальной продольной плоскости.
Принимаем, что колеса передних мостов автопоезда двигаются по тому же микропрофилю, что и колеса заднего моста, но только со сдвигом вперед на величину расстояния между соответствующим мостом и задним.
Длину пути реализации микропрофиля примем с учетом /20/ равной L = 300 м, а шаг дискретизации AL = 0,5 м. В результате объем выборки ординат микропрофиля NL = 600, аргумент корреляционной функции (2.46) xs=ALn, где « - число интервалов сдвига по оси абсцисс
В результате расчетов получены следующие характеристики распределений коэффициента сопротивления движения с учетом движения по неровностям ОП (табл. 2.2). Характеристики функций распределения коэффициента сопротивления движения ф с учетом сопротивления к у, Дорожные условия Математическое ожидание mw Среднее квадратиче-СКОЄ ОТКЛОНеНИе (Туг Изношенное асфальтированное шоссе 0,037 0,012 Разбитая грунтовая дорога 0,070 0,030 Пересеченная местность 0,142 0,045
Анализ данных представленных в табл. 2.2, позволяет сделать вывод о существенном увеличении сопротивления движению вследствие преодоления неровностей ОП. Зная эти характеристики ОП, по коэффициенту сопротивления движению, можно обеспечить выполнение заданных эксплуатационно-технических требований по максимальным и средним скоростям движения, а также необходимые тяговые качества автопоезда.
2.3. Определение рациональных режимов использования активного привода прицепа
Необходимость подключения прицепа обусловливается недостаточностью сил тяги тягача по преодолению сопротивления движению. Как известно, момент сопротивления движению многоприводного автопоезда с индивидуальным приводом на ведущие мосты зависит от момента сопротивления качению и дополнительного сопротивления, связанного с приложением к колесу продольной силы. Причем доказано, что наименьшая мощность на преодоление сопротивления качению затрачивается в свободном режиме движения колеса, когда продольная сила равна нулю: при этом мощность на деформирование шины (или шины и грунта) под воздействием продольной силы не затрачивается. Отсюда вывод: для максимального уменьшения потерь мощности на преодоление сопротивления движению нужно крутящий момент двигателя распределять между ведущими мостами так, чтобы каждое ведущее колесо работало в свободном режиме (при отсутствии внешних сопротивлений). Условием включения в работу активной оси прицепа является превышение суммарной силы сопротивления движения над силой тяги, реализуемой на ведущих колесах тягача:
Определим исходя из этого условия количество необходимых для движения мостов. Известно, что потребность в количестве ведущих колес (мостов) в многоосной полноприводной машине зависит от сцепных качеств движителей и физико-механического состояния опорной поверхности, т.е. коэффициентов сцепления {ф) и суммарного сопротивления {у/).
Частная методика проведения экспериментального исследования
В основу измерения перечисленных параметров положен метод электрических измерений неэлектрических величин, обеспечивающий их синхронную регистрацию. Для осуществления непрерывного измерения и регистрации вышеуказанных величин использовался комплект измерительно-регистрирующей аппаратуры, в состав которого входили: - тензометрические датчики (ФКРА-20-200ГВ и ФКРА-10-100); - индукционные датчики числа оборотов; - гидравлический динамометр (10000 кг); - тензометрическое тяговое звено; - проходные (ТРАП-100) и концевые (ТРАК-4) токосъемники; - согласующий усилитель (Топаз-3-01); - осциллограф (К-12-22); - блок питания; - измерительное («пятое») колесо.
Блок-схема измерительно-регистрирующего комплекса представлена на рис. 3.3, а расположение приборов на автомобиле показано нарис. 3.4; 3.5; 3.6.
Измерение крутящих моментов производится с помощью тензорезисторов ФКРА-10-100 и ФКРА-20-200ГВ, которые наклеивались на карданный вал привода раздаточной коробки и полуоси ведущих мостов. Так как в ведущих мостах применяется симметричный дифференциал, то для решения целей настоящего исследования достаточно измерять крутящие моменты на одном борту.
Тензорезистры включены в два плеча полумоста, причем на одном плече они расположены под углом 90 к тензорезистрам другого плеча. Такая наклейка тензорезистров обеспечивает температурную компенсацию и исключает влияние деформации изгиба /51/. Второй полумост является элементом усилителя. Балансировка тензомоста осуществлялась усилителем. Для измерения тягового усилия на крюке был использован гидравлический динамометр с самописцем с измеряемым усилием до 10000 кг (рис. 3.4).
Для подведения питания к тензодатчикам, укрепленным на вращающихся карданных валах, и для снятия сигналов этих датчиков использованы проходные ртутно-амальгамированные токосъемники ТРАП-100.
Для подведения питания к тензодатчикам, укрепленным на вращающихся полуосях, и для снятия сигналов этих датчиков использованы торцевые ртутно-амальгамированные токосъемники ТРАК-4 и ТРАК-8 (рис. 3.5). Подвижная часть токосъемника соединена с автомобилем при помощи специальных кронштейнов (рис. 3.5...3.6).
Измерение угловой скорости вращения ведущих колес осуществлялось индукционными датчиками, генераторы импульсов которых встроены в токосъемники ТРАК (рис. 3.5).
Для измерения пути и скорости движения автомобиля используется измерительное («пятое») колесо (рис. 3.4). Измерительное колесо установлено на оси в вилке с вертикальной штангой. На оси колеса в алюминиевом корпусе установлен индукторный тахогенератор ЦМИС с прерывателем. Колесо крепится к раме прицепа и поджимается к ОП гидроцилиндром.
В качестве усилителя сигналов тензометрических датчиков использовался усилитель «Топаз-3-01».
Регистрация исследуемых параметров осуществлялась 12-канальным магнитоэлектрическим осциллографом К-12-22 (рис. 3.7) со встроенным отметчиком времени на фотобумагу шириной 120 мм. С учетом паспортных данных максимальная относительная погрешность, вносимая осциллографом, была принята + 3,0 %. Предельная погрешность регистрации времени не превышала + 0,02 %.
Питание измерительно-регистрирующего комплекса осуществлялось от двух аккумуляторных батарей 6СТ-190ТРМ, соединенных последовательно. Перед зачетными испытаниями проводились пробные заезды, которые позволили выбрать масштаб записи регистрируемых параметров движения автомобиля.
Дополнительное сопротивление при движении по неровностям дороги
Повышение проходимости и снижение энергозатрат при движении полноприводных автопоездов может быть обеспечено правильным выбором коэффициента использования сцепного веса в зависимости от типа опорной поверхности, тягово-сцепных качеств движителей, распределения масс по мостам, типа трансмиссий.
1. Уточнена математическая модель движения многоосных полноприводных машин учетом дополнительных потерь энергии в трансмиссии в зависимости от кинематического несоответствия и при движении по неровностям опорной поверхности. Эта зависимость позволяет анализировать на стадии проектирования влияние конструкции трансмиссии, соотношения масс тягача и прицепа на параметры движения по заданной опорной поверхности. При этом создается возможность устанавливать взаимосвязь между технико-экономическими показателями полноприводного автопоезда и распределением мощности между движителями и определять пределы рациональных значений коэффициента распределения тяговых усилий между движителями тягача и прицепа с учетом конструктивных параметров автопоезда (линейных размеров, компоновки и комплектации), веса перевозимого груза и скорости.
2. Получены аналитические зависимости влияния формы и размеров неровностей опорной поверхности на величину коэффициента дополнительного сопротивления движению колеса. Установлено что при преодолении вертикальной стенки высотой 0,35 м сила сопротивления движению возрастает в 3,4 раза, а при преодолении выпуклого выступа - в 3,1 раза. Результаты экспериментальных исследований подтверждают полученные зависимости, при этом расхождение теоретических и экспериментальных значений составляет 4...8 %.
3. Разработана методика определения (выбора) необходимого количества и сочетания ведущих мостов (колес) в многоосном полноприводном автопоезде в зависимости от типа опорной поверхности и соотношения масс тягача и прицепа. Установлено, что использование движителей прицепа для повышения проходимости автопоезда определяется исходя из двух условий: недостаточности сцепных свойств тягача и превышения потерь мощности на буксование колес тягача над потерями в приводе прицепа. Для исследуемого автопоезда рациональный момент включения движителей прицепа соответствует 15% буксования колес тягача.
4. Обоснован критерий и разработана методика рационального распределения энергии двигателя между движителями тягача и прицепа в зависимости от их массы, кинематического несоответствия в трансмиссии и типа опорной поверхности. Обоснован коэффициент распределения мощности между движителями тягача и прицепа с колесной формулой 10x10, который находится в пределах 0,2...0,7 в зависимости от типа опорной поверхности.
5. Удельная сила тяги автопоезда с активными движителями прицепа в 1,3...2,14 раза больше по сравнению с обычными автопоездами в зависимости от дорожных условий.
6. Автопоезда, предназначенные для эксплуатации в сложных дорожных условиях и по бездорожью, при отношении веса тягача к весу автопоезда менее 0,6 должны оснащаться активным приводом на оси прицепа. Для обеспечения уверенного движения автопоезда по дорогам с твердым покрытием с отключенным активным приводом отношение веса тягача к весу автопоезда не должно быть меньше 0,25.
7. Наличие кинематического несоответствия в приводе существенно увеличивает затраты энергии на движение. Так, несоответствие в 10 % увеличивает потребный для движения момент на 24 % на асфальте, на 10 % на песке и на 6 % на суглинистой пахоте. Кроме того, при определенном кинематическом несоответствии между ведущими мостами реализуемая сила тяги при увеличении числа мостов снижается.
8. По результатам оценки технико-экономического эффекта от использования активного привода прицепа ожидается повышение производительности автопоезда на 15...20 % и снижение расхода топлива на 5 %. Экономический эффект составляет 18000 рублей на один автопоезд в год.
