автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Оценка проходимости и вредного воздействия на почву многоосной колесной машины

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЕСТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ СВШ-ЗИЛ)

На правах рукописи

аНРАКОВСКИИ ВАДИМ ПЕТРОВИЧ

ОЦЕНКА ПРОХОДИМОСТИ И ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЧВН МНОГООСНОЙ КОЛЕСНОЙ МАЛИНЫ

Специальность: 05.05.03 - Автокобили и тракторы

Й В Т.О РЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена на кафедре "Автомобили и двигатели" Московского автомобилестроительного института (НАСИ)

Научный руководитель - доктор технических наук, .

профессор Я.С.Агейкин ( НАСИ )

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Ю.В.Пирковский (Институт повыиения квалификации)

- кандидат технических наук, доцент В,Н.Наумов ( МГТ9 )

Ведущая организация - отраслевая научно-исследо-

вательская лаборатория вездеходных машин (ОНИЛВН) при Нидегородском политехническом институте

Зацита состоится 1993г. в часов

на заседании специализированного совета К 064.02.01 в Московском автомобилестроительном институте СЫЙСИ) по адресу: 109260 , г.Москва, ул.Автозаводская 16

С диссертацией мовно ознакомиться в библиотеке ПАСИ. Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан "Ш-"-Оккх/^с^ 1993 г. .

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

О.Ф.Трофимов

- 3 -

ОБМАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настояиее время колесное маиины используются как на дорогах с твердым покрытием, так и в условиях бездорожья. Чаще это специальные многоосные, полноприводные автомобили. Для таких автомобилей основными показателями являются показатели проходимости и вредного воздействия движителя на почвогрунт.

Оценка проходимости проводится для эксплуатируемых и рновь разрабатываемых автомобилей. Ревать эту з.эдачц экспериментально очень трудно и дорого из-за больного многообразия грунтовых поверхностей. С меньоики затратами эти задачи решаются расчетныни методами с использованием математического моделирования движения автомобиля по грунту,

К настоящему времени проведено большое число исследований по оценке проходимости автомобилей, в том числе с использованием математического моделирования. В результате этих исследований установлены закономерности деформирования грунта колесом автомобиля и разработана модели движения автомобиля по грунту.

Но на пути получения достоверных результатов расчетными методами встретились трудности. В частности, наиболее слабым кзе-том всех известных моделей является учет изменения физико-механических свойств грунта при последовательном проходе колес по колее. Данной проблеме посвяцено мало работ. При движении по "рунту даже одиночного автомобиля каждое колесо, двигаясь по здному следу, воздействует на грунт и изменяет первоначальную »еличину его физических параметров (влажность Н, плотность^), а гакже механических параметров (модуль деформации Е, угол внут->еннего трениявнутреннее сцепление с. ). Уплотнение почвы |риводит к снижению урожайности и рассматривается .как вредное

воздействие колес на почву. Надежных методов расчета изменения указанных параметров пссле прохода колес автомобиля не разработано .

Цель работы. Разработать уточненную методику оценки проходимости и вредного воздействия на почву многоосных колесных ма-кин г определением измененных физико-механических свойств почвы после каждого прохода колеса.

Объекты исследований. На разных этапах работы в качестве объектов исследований выбирались различные типы полноприводных автомобилей: ГйЗ-66, УРАЛ-375, КАЗ-543, поисково-спасательная машина"Синяя птица". Исследования проводились е трех районах с различным типом почвогрунтовых поверхностей.

Методы исследований. В работе использовались аналитические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием методов математического моделирований на основе теории механики грунтов). Экспериментальные исследования проведены на реальных, эксплуатируемых в. условиях бездорожья, автомобилях. Результаты обработаны методами математической статистики и регрессивного анализа.

Нацчная новизна. Разработана математическая модель изменения физико-механических параметров грунта после каждого воз-' действия колеса автомобиля. Разработана методика расчета показателей проходимости и вредного воздействия движителей на поч-вогрунт. Проведен сравнительный анализ возможных способов повы-нения проходимости автомобилей и снижения вредного воздействия колесных движителей на почву.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанный расчетный метод определения физико-механических , параметров грунта после каждого прохода колеса позволяет более точно рассчитывать показатели взаимодейстгия с грунтом колес различных

осей, показатели проходимости и зффективностимногоосного автомобиля.

Разработанная методика оценки уплотнения почв» многоосными автомобилями позволяет на стадии проектирования выбирать оптимальные параметры движителя, обеспечивавшие допустимые нормативные значения плотности.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертации использованы при проведении НИР для А/0 КАМАЗ, а также внедрены в учебный процесс кафедры "Автомобили и двигатели" Московского автомобилестроительного института.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на всесоюзном научно-практическом семинаре "Создание экологически безопасных транспортных и тран-спортно-технологических средств'Ч Новосибирск,НЗТИ,1990г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Повывение надежности и экологических показателей автомобильных двигателей "(Горький, 1990г.); на семинаре кафедры "Автомобили и двигатели" УАСИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 печатные работы, 2 тезиса докладов на конференциях, выпуцено 3 отче-■ та по НИР.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав,- обцих выводов! списка литературы из 112 наименований. Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, со-дермит 97 рисунков.19 таблиц и две справки о внедрении результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель исследования.

Первая глава вклячает обзор работ в области теории взаимодействия колесного движителя с грунтом и математического мод?-

- б -

лирования деформирования грунтового основания. Больжой вклад в этой области внесли отечественные ученые; Я.С.Агейкин , В.Ф.Бабков, Й.К.Бируля, Н.Н.Иванов, Г.Б.Безбородова, Н.Ф.Бочаров, Н.Ф.Коварный, В.В.Пирковский, И.С.Поляков, Н.й.Ульянов, В.В.Кацыгин, В.В.Гуськов, В,Л, Скотников, В.Н.Наумов, М.Г.Чистов, И.П.Ксеневич, М.И. Ляско , В.В. Ларин , В.В. Сапожников , В.й.Терзан , А.Н.Орда ,В.Й. Русанов, Н.С.Вольская, Г.Ю.Ястребов и многие другие, а также зарубежные - М.Беккер,Дж.Вонг, Й.Риис, Л.Хольм и др.

В результате анализа известных работ установлено:

1. Существующие расчетные методы недостаточно учитывает весь комплекс факторов, оказквавцих влияние на взаимодействие многоосного движителя с деформируемым основанием. Среди этих факторов: существенное изменение параметров грунта от циклического нагрухения многоосным движителем, изменение физико-механических параметров грунта по глубине, динамичность нагружения. Достигнутый уровень исследований по влиянию каждого перечисленного фактора на результаты взаимодействия движителя с грунтами недостаточен для разработки метода расчета проходимости и вредного воздействия автомобиля на почву.

2. Существующие методы не учитывает изменения плотности грунта' при расчете параметров проходимости автомобиля.

3. Не полно учитывается влияние скорости движения мажины на процессы взаимодействия движителя с грунтом.

4. Нет ясной картины по изменение Физико-механических параметров грунта на различной глубине после прохода колес автомобиля.

Проведенный обзор трудов по теории проходимости показал, что для речения поставленной цели исследования основное внимание необходимо уделить изучение изменения плотности и влажности грунта от воздействия циклически:: нагрузок и затем осуцествить

переход к параметра* механического состояния грунта- Е.'С.с.. на основе которых строится моделирование движения автонобиля ло деформируемому грунту . Причина такого подхода: влажность и плотность являются основными параметрами, определяющими механические и биологические свойства почвогрунта; параметры ¡( и Н достаточно легко и точно определяется в полевых условиях, что немаловажно при изучении больиих районов: по параметра»« У'и Н накоплен больной статистический материал.

В соответствии с поставленной целью и проведенным анализом состояния вопроса были определены следующие основные задачи данной работы:

- выявить закономерности изменения физических и механических параметров грунта при циклическом воздействии колес автомобиля:

- обобщить имеющиеся материалы по вредному воздействии автомобилей на почву;

- создать математическув модель уплотнения грунтового основания колесами автомобиля и разработать метод количественной оценки вредного воздействия колесного движителя на почву;

- разработать уточненную методику расчета параметров проходимости автомобиля;

- провести сравнительную оценку различных способов порыаения проходимости автомобилей'и снижения вредного воздействия колесных движителей на почзу.

Вторая глава пойвяцена вопросам разработки математических моделей уплотнения почвогрунта после проезда автомобиля.

На первом этапе работы было проведено исследование физических процессов, происходящих в грунте при циклическом воздействии колес автомобиля.

Рассмотрение физических процессов уплотнения почвогрунта колесами автомобиля позволило выделить некоторые особенности.

на которые делался акцент в дальнейших исследованиях: воздействие циклической нагрузки приводит как к уплотнении грунта и повывенив его физико-механических свойств, так и к разуплотнение и потере несуцей способности; сдвиги грунта можно рассматривать как разуплотнение, что необходимо учитывать при оценке вредного воздействия: относительная величина сдвигов в грунте зависит от соотновения нагрузки к несущей способности грунта. Последняя определяется влажностью грунта, размером деформатора, характером нагружения.

На основе физической сущности процессов деформирования грунта была разработана математическая модель уплотнения грунтового основания. Моделирование проведено двумя способами:

1 способ основан на рассмотрении Физических процессов деформирования грунтов и опирается на положения механики грунтов ;

2 способ- на обобщении результатов экспериментальных исследований.

На основе положений механики грунтов получено выражение:

М- (1)

Плотность почвы после воэдейЛвЫ нагрузки £ зависит от начальной плотности ^ плотности твердых частиц ^ величины нагрузки ч.модуля деформации Е, коэффициента динамичности Кл, коэффи-' циента плоцади .

Коэффициент динамичности учитывает влияние скорости движения автомобиля и и число проходов п на процессы деформирования грунта. ^

где Е - длина линии контакта колеса* спгрунтом;

Коэффициент плоцади учитывает распределение напряжений в грунте по глубине залегания слоев г в зависимости от плоцади деформатора Р. ' ■ • '

Р •

В результате обобщения экспериментальных данных получено выражение для коэффициента уплотнения грунта К^ (отношение плотности после деформирования к начальной плотности), и выражение для плотности скелета

К;=(а4+а^-а3114)(а^а'гР-а^Рг)(^^)Р; (4)

* (5)

где Нм- оптимальная по* уплотнении влажность грунта; относительная влажность грунта: ^"^'максимальная плотность скелета грунта; ^"минимальная плотность скелета грунта; а;;а-,.^ ;Ь=1...3 - коэффициенты при переменных. Выражения (4,5,6) справедливы для суглинистых и черноземных почвогрунтов, для которых проводилась статистическая обработка. Границы использования выражения (1) намного жире. Это выражение справедливо для больжого числа грунтовых оснований.

В третьей главе разработана методика расчета показателей . проходимости и вредного воздействия на грунт колесного автомобиля. В качестве базовой была выбрана методика расчета проходимости, предложенная Я.С.Агейкиным. Этот выбор основан на том , что все исследования в рамках данной модели построены на использовании независимых параметров грунта. Новыми элементами методики являются.

1. Учет изменения исходных, физико-механических параметров грунта по глубине залегания слоев.

2. Расчет изменения физико-механических параметров грунта (с учетом глубины залегания слоев) после каждого прохода колеса автомобиля.

3. Разработка- дополнительных оценочных показателей. Для оценки вредного воздействия движителя на почву предложен показатель -

плотность почвы после проезда автомобиля ( он определяет механические и биологические свойства почвогрунта). В качестве дополнительного показателя, оценивающего разруаение структуры почвы, предложен коэффициент сдвиговых деформаций К .

VI' в <75

где несущая способность грунта.

Реализация разработанной методики на ЭВМ позволяет рассчитывать показатели проходимости П , эффективности П,, плотность скелета грунта после проезда автомобиля^: коэффициент сдвиговых деформаций ^.коэффициент буксования Бг.глубину колеи (1, скорость автомобиля и„ , расход топлива .

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований. Исследования характера взаимодействия движителя автомобиля с почвогрунтом проводились в трех районах:

1. В районе аэропорта Домодедово (Московская обл.), апрель1991г. Грунт тяжелосуглинистый.-

2. В районе береговой линии залива Сивав, Время - ноябрь 1991г. Грунт двухслойный: верхний слой - лессовый ил (Н=0,20-0,30м) нижний - ракушечник.

3. В районе пос. Приморский (респ. Крым).Время испытаний - ноябрь 1991 г. Грунт - двувслбйний : верхний слой - суглинистый моцный чернозем после осенней вспаяки (Н =0,20-0,30м), нижний -глинистый грунт.

Общая оценка состояния грунта проводилась с использованием статистических методов обработки результатов испытаний (строились интегральные кривые распределения физических параметров грунта по району испытаний Р(У),РШ).

Объектами испытаний выбирались автомобили повышенной и высокой проходимости: ГЙЗ-66, аРАЛ-375, МАЗ-543, поисково-спасательная нашина"Синяя птица".

- И -

В ходе экспериментальных исследований определялись Функциональные связи между уплотнением ( с учетом глубины залегания слое?); глубиной колеи с одной стороны к влажностью, исходной плотностью, числом проходов, скоростью движения автомобиля, давлением в контакте колес с грунтом, плоцадью контакта с другой стороны.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

- разработанные математические модели соответствует физическим процессам, происходящим в грунте;

- характер изменения плотности по глубине согласуется с характером изменения напряжений (рис.1);

- принятый на начальном этапе теоретических исследований линейный характер изменения коэффициента уплотнения в зависимости от начальной плотности подтверждается результатами экспериментов (рис.1);

- по характеру статистических зависимостей Р и Р (Н) можно выделить преобладающее состояние грунта на период испытан..й (даже в районах с существенно неоднородным распределением физико-механических свойств статистические зависимости Р (/) и Р(Н) по характеру согласуются друг с другом);

- расчетный метод послойного определения физико-механических параметров грунта дает более точные результаты (на 15-402) по сравнению с рассмотрением средних значений физико-механических параметров (по глубине) или только верхнего слоя грунта;

- расчет параметров уплотнения, глубины колеи, расхода топлива, скорости автомобиля по разработанной методике достаточно близки к экспериментальным значениям (отклонение расчетов не превысило 8-10 X. что подтверждает правильность выбора расчетной модели).

В пятой главе оценивается возможность практического использования разработанных математических моделей.

Л1Г

<■5 И

о,9

УРАЛ . — - — —

_

"синяя тицА"

/ л

- 12 -К*

• <

ч ч УШ

V V4 > «ч »

20 к0 —исх. сост. грунта

60 СМ

<0

<2.

¿0

АО

г, см

105 4,15 <25 4А5

<4

0 1 0/ 5 0, г а; / / Г|- 57

✓ // * У,

\

К

У

а

** У •ч

Ор5М1Ъ

У у

23 25 ¿?

н.%

Рис.1. Проверка достоверности разработанных математических моделей (суглинистый чернозем),

- расчетные значения;

--- экспериментальное данные.

• • / ■угу

0,8 / /

16.00-20.00 о,б 1230x300-533 // //

//

// -3

-о.н о о,< о,г о,л см о,5 П

<0 4.4 1.2 Ц

Рис.2. Результаты выбора параметров экологичного двиаителя автомобиля 4x4.

Проведена статистическая обработка почвенно-гидрологических характеристик зон механизации Европейской территории СНГ (получены интегральные кривые распределения влажности и плотности почвогрунтов)

Определены показатели проходимости и уплотнения почвы автомобилями ГАЭ-53А, ШАЗ-5320. ГАЗ-66, УРАЛ-375. ЗИЛ-131. (в качестве допустимого значения уплотнения грунта приняты : для суглинистых грунтов - 1,35г/смл, для супесчаных - 1,45г/сМ*).

Показаны возможности повывения проходимости автомобилей и снижения вредного воздействия движителей на почву. Для полноприводных автомобилей за счет изменения размерности тороидных и вирокопрофильных пин с регулируемым давлением. Для дорожных автомобилей 4x2, 6x4 за счет применения иирокопрофильных (арочных) шин на ведущих колесах и снижения давления воздуха в передних тороидных айнах, снижения нагрузок в тяжелых грунтовых условиях, установки дополнительной оси.

Рассмотрены примеры выбора параметров экологичного перспективного движителя для автомобилей 4x4 и бхб грузоподъемностью 4т. Предусматривалось, 'Что движители должны обеспечить 90 X вероятность проходимости во всех условиях эксплуатации, уплотнение почвы после прохода автомобиля не более 1,35г/см1 В качестве примера на (рис.2) приведены окончательные результаты расчетов для автомобиля 4x4.

ВЫВОДЫ

1. В результате воздействия колес автомобиля на почвогрунты в болышнстве случаев происходит уплотнение почвы и-как положительное следствие - повывение механических свойств, как отрицательное следствие - снижение урожайности. Значительно реже, при нагрузках близких к несудей способности грунта, происходит разуплотнение со снижением механических свойств и разрушением структуры, что также снижает урожайность и способствует эрозии почвы.

2. Уплотняемость почвы существенно зависит от исходной плотности и влажности. Наибольшая уплотняемость характерна для черноземных почв на тяжелом суглинке при минимальной исходны, плотности 0,95-1,05 г/смл и относительной вла«ности N =0,6-0,65.

3. Величина уплотнения зависит от больиого числа конструктивных факторов автомобиля, которые по степени влияния можно расположить в следующем порядке : нагрузка на колесо, вирина профиля вины, внутреннее давление воздуха в винах, наружный диаметр вин, число осей.

4. Разработанная методика оценки уплотнения почвы многоосными автомобилями позволяет на стадии проектирования выбирать оптимальные параметры движителя, обеспечивающие допустимые нормативные значения плотности (£< 1,35 г/смлдля черноземных почв на суглинках,1,45 г/смлдля подзолистых почв на супесях и легких суглинках).

5. Разработанный расчетный метод определения физико-механических параметров грунта после каждого прохода колеса позволяет более точно рассчитывать показатели взаимодействия с грунтом колес различных осей, показатели проходимости и эффективности многоосного автомобиля.

6. В рассмотренных примерах точность по сравнению с экспериментальными данными результатов расчета по разработанному в диссертации методу составляет 7-152. по методу Я.С.Йгейкина, основанному на увеличении суммарного времени действия нагрузки при последовательном проходе колес по одному следу, на 12-20 1С.

7. Воздействие на почву движителей автомобилей, используемых в сельскохозяйственных перевозках не отвечает агротехническим требованиям сохранности почвы.

8. В каЧь-тве мер снижения Лреуплотнениз почвы могут быть

использованы: для полноприводных автонобилей - изменение размерности тороидных и вирокопрофильных пин с регулируемым давлением; для дорозных автомобилей 4x2, 6x4 - применение оирокопрофильных (арочных) вин на ведущих'колесах и снижение давления воздуха в передних тороидных шинах, снижение нагрузок в тяжелых грунтовых условиях, установка дополнительной оси.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Нураковский В.П.,Агейкин Я.С.,Анохин A.B. Изменение параметров грунта после прохода колеса автомобиля./ Создание экологически безопасных транспортных и транспортно-технологических средств:тез.докл.Всесоизн,научно-практич.семинара.-Новосибирск, НЭТИ,1990.

2. Мураковский В.П.,Агейкин Я.С. Моделирование движения многоосного автомобиля по деформируемому грунту с учетом изменения Физико-механических свойств грунта./ Межвуз. сборник. Московский автомеханический институт(МАМИ),1931.

3.1ураковский В.П.,Агейкин Я.С, Аналитический метод определения изменения физико-механических параметров грунта при воздействии колесного движителя./ Повыиение надежности и экологических показателей автомобильных двигателей: тез,докл.Всесоюзн.научн. конф.-Горький,1990.

4.Агейкин Я.С..Нураковский В.П.Методы оценки дорожно-грунтовых поверхностей при моделировании движения многоосной колесной ма-вины. Московский автомобилестроительный институт. -Москва, 1993.-8с. Деп.в НИИинформавтопром 02.04.93., Н2187-ап93.

5,Агейкин Я.С..йураковский В.П.Расчетные методы оценки вредного воздействия движителя автомобиля на почву. Московский автомобилестроительный институт. -Москва, 1993.-5с. Деп.в НИИинформавтопром 02.04.93., N2188-апЭЗ,