автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Повышение безопасности движения большегрузных колесных транспортных систем при перевозке крупногабаритных неделимых грузов

На правах рукописи

УДК 629.33

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ БОЛЬШЕГРУЗНЫХ КОЛЕСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПЕРЕВОЗКЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ НЕДЕЛИМЫХ ГРУЗОВ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о 3 АПР 2□ 14

Нижний Новгород 2014

005546622

005546622

Работа выполнена в ЗАО «Предприятие по перевозке крупногабаритных тяжеловесных грузов «Спецтяжавтотранс» (г. Нижний Новгород).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

кафедры «Колесные машины» МГТУ им.

Н.Э. Баумана (г. Москва) Горелов Василий Александрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, заведующий

кафедрой «Автомобилестроение» УГЛТУ (г. Екатеринбург) Баженов Евгений Евгеньевич;

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Автомобили и тракторы»

НГТУ им. P.E. Алексеева, заместитель директора ИТС НГТУ им. P.E. Алексеева (г. Нижний Новгород) Тумасов Антон Владимирович.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ)

(г. Челябинск).

Защита диссертации состоится «25» апреля 2014 г. в 12— на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 в Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. К. Минина, д. 24, ауд. 1258.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева и на сайте по адресу: http://www.nntu.ru/content/aspirantura-i-doktorantura/dissertacii.

Автореферат разослан «22» марта 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Л.Н. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Большинство грузов в различных отраслях экономики может перевозиться как одиночными автомобилями, так и автопоездами, в то время, как транспортировка крупногабаритных тяжеловесных грузов (КТГ) осуществляется исключительно специализированными автопоездами-тяжеловозами с седельными или балластными внедорожными автомобилями-тягачами. Область применения таких транспортных средств весьма широка: перевозка неделимых агрегатов, машин и оборудования к месту монтажа на промышленных объектах; готовых неделимых строительных блоков и конструкций к месту строительства; различных строительных, дорожных, землеройных и других подобных машин и оборудования к месту эксплуатации. В зависимости от характера перевозимого груза и дорожных условий буксировка прицепов или полуприцепов с грузом может производиться одним или несколькими автомобилями-тягачами.

Особенности автопоездов-тяжеловозов определяют их принципиальное отличие от транспортных средств общего назначения. В автопоезде-тяжеловозе доминирующее значение имеет прицепное звено, параметры которого: грузоподъемность, осевая нагрузка, габаритные размеры, маневренные качества — являются основными, определяющими эксплуатационные свойства автопоезда в целом. Применяемые в составе прицепного автопоезда-тяжеловоза тяговые автомобили чаще всего являются балластными и в отличие от автомобилей общего назначения в качестве одиночных редко используются для перевозки грузов.

Комплектование автопоезда предусматривает подбор к данному конкретному прицепу-тяжеловозу одного или нескольких тягачей, обеспечивающих возможность его буксирования в заданных эксплуатационных условиях. При этом существенные для автопоездов общего назначения тягово - скоростные свойства для большинства автопоездов-тяжеловозов имеют второстепенное значение. На первый план выходят показатели, определяющие безопасность движения.

Использование многоосных транспортных средств большой и особо большой грузоподъемности, отличающихся габаритными размерами и осевыми нагрузками, остро ставит проблему вписываемости этих машин в закругления и повороты существующей дорожной сети и обеспечения маневрирования при движении на местности, на строительных площадках и в других условиях.

Опыт эксплуатации автопоездов-тяжеловозов предприятием «Спецтяжавтотранс», работающим с 1978 года в сфере доставки неделимых крупногабаритных грузов, как на территории России, так и за рубежом, подтверждает то, что проблема обеспечения движения транспортной системы в заданном коридоре, зачастую ограниченном спецификой дорожной сети, является одной из основных в аспекте безопасности движения, а также реализации максимальной средней скорости движения на заданном маршруте.

Для минимизации коридора движения, и тем самым, сокращения потребной ширины дорожного полотна, необходимой для поворота, колеса

прицепных звеньев выполняют управляемыми. Наибольшее распространение в качестве систем управления поворотом колес прицепных звеньев, входящих в состав многозвенных колесных транспортных комплексов, получили системы с гидравлическим силовым следящим приводом, работающим в функции угла складывания звеньев автопоезда. Известно большое количество конструктивных вариантов организации систем управления звеньями автопоезда, а также алгоритмов и законов для их функционирования.

Важность задачи улучшения маневренности подтверждается также тем обстоятельством, что зачастую к местам назначения грузы необходимо доставлять без дополнительных капитальных вложений на совершенствование дорог.

Очевидно, что развитие конструкции автопоездов должно идти в том числе по пути усовершенствования поворотных устройств, внедрения автоматизированных систем управления, разработки новых законов и алгоритмов для работы системы рулевого управления с целью обеспечения вписываемости всех звеньев в габаритную полосу. В то же время, для синтеза рациональных конструкций систем рулевого управления автопоездов-тяжеловозов, проверки работоспособности и эффективности предлагаемых законов и алгоритмов, а также для повышения безопасности движения при перевозке КТГ необходимо располагать инструментарием для решения таких задач на стадии проектирования техники и на этапах подготовки перевозки.

Конструктивные особенности автопоездов, с одной стороны, позволяют реализовывать многообразие схем и законов работы для систем рулевого управления, с другой стороны, — затрудняют прогнозирование показателей маневренности, даже если ограничиваться небольшими скоростями движения.

В этой связи, задача разработки математической модели движения многозвенного автопоезда с учетом возможности реализации различных законов управления автомобилем-тягачом и прицепными звеньями, которая позволит прогнозировать характеристики криволинейного движения на стадии проектирования техники и подготовки перевозки КТГ, представляется очень актуальной научной и практической задачей.

Цели и задачи. Целью работы является повышение безопасности движения большегрузных многозвенных колесных транспортных систем при перевозке крупногабаритных неделимых грузов.

Для достижения цели в работе решены следующие основные задачи:

- разработан новый метод повышения безопасности движения автопоездов на стадии проектирования техники и подготовки перевозок крупногабаритных тяжеловесных грузов;

- создана новая математическая модель движения двухзвенного автопоезда с поворотным дышлом по недеформируемым опорным основаниям для оценки безопасности и тягово - скоростные свойств при транспортировке крупногабаритных тяжеловесных грузов, в которой учитывается возможность реализации различных законов и алгоритмов рулевого управления автомобиля-тягача и прицепных звеньев;

проведены экспериментальные исследования маневренности автопоезда при движении по недеформируемому опорному основанию для оценки адекватности разработанной математической модели движения;

- проведены теоретические исследования криволинейного движения автопоезда при перевозке КТГ в случае различных законов функционирования систем рулевого управления, в том числе и всеколесного для автомобиля-тягача;

обоснован выбор рациональных схем рулевого управления автопоездов-тяжеловозов, предназначенных для перевозки КТГ.

Методы исследований. Исследования проводились с использованием численных методов моделирования движения двухзвенного автопоезда с поворотным дышлом при различных законах управления поворотом колес тягача и прицепного звена. Экспериментальные исследования основывались на испытаниях автопоезда в составе автомобиля-тягача с колесной формулой 8><8 и шестиосного прицепного звена.

Научная новизна заключается:

в разработке нового метода повышения безопасности движения многозвенных автопоездов по недеформируемым опорным основаниям при перевозке КТГ за счет выбора рациональных управляющих воздействий водителя (оператора) на стадии подготовки перевозки при использовании аппарата имитационного математического моделирования;

в создании математической модели движения автопоезда в составе автомобиля-тягача и прицепного звена по недеформируемому опорному основанию, в которой поворотное дышло представляется в виде отдельного звена с массовыми и габаритными, имеющего степень свободы в горизонтальной плоскости как относительно автомобиля-тягача, так и относительно прицепного звена. В модели учитывается возможность реализации различных законов и алгоритмов для систем рулевого управления автомобиля-тягача и прицепного звена. Модель позволяет имитировать движение автопоезда в заданных условиях эксплуатации и тем самым, значительно сократить сроки проектирования, доводочных испытаний, а также сроки подготовки перевозки КТГ и повысить безопасность и движения;

в результатах теоретических исследований криволинейного движения многозвенного автопоезда при использовании различных законов управления поворотом колес автомобиля-тягача и прицепного звена, в том числе, при всеколесном рулевом управлении.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на использовании апробированных методов имитационного математического моделирования, правомерности теоретических положений, адекватности разработанных моделей реальным конструкциям, а также проведенных на серийных машинах, опытных образцах экспериментальных исследованиях динамики автопоезда.

Практическая ценность работы. На основе результатов выполненных исследований для практического использования при подготовке перевозки КТГ создан комплекс программ для ЭВМ. Использование комплекса позволяет имитировать динамику автопоезда при различных законах

управления поворотом колес автомобиля-тягача и прицепного звена на стадии подготовки перевозки и тем самым повысить безопасность движения при перевозке КТГ.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в ЗАО ПКТГ «Спецтяжавтотранс», в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», в НИИ СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также используются в учебном процессе при подготовке инженеров на кафедре СМ-10 «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы заслушивались и обсуждались:

- на научно-технических семинарах кафедры СМ-10 - «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2009 - 2013 гг. (г. Москва);

- на Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем» (г. Волгоград, 2009 г.);

- на Международной конференции «Проблемы развития механики» (Монголия, г. Улан-Батор, 2009 г.);

- на Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) «Какой автомобиль нужен России?» (г. Омск, 2010 г.);

на Международной научно-технической конференции «Проектирование колёсных машин», посвященной 75-летию кафедры «Колёсные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2012 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 научные работы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих результатов и выводов, списка литературы. Работа изложена на 185 страницах машинописного текста, содержит 137 рисунков, 3 таблицы. Библиография работы содержит 156 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведено краткое содержание выполненных исследований, сформулирована цель работы и отражены основные положения научной новизны, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведен анализ расчетных и экспериментальных методов определения параметров криволинейного движения транспортных средств. Представлены исследования отечественных и зарубежных ученых, посвященные оценке маневренности, управляемости и устойчивости автопоездов различного назначения (рис. 1), а также возможности повышения данных эксплуатационных свойств за счет совершенствования систем управления прицепными звеньями. Дана оценка методам расчета систем рулевого управления, а также особенностям математического моделирования движения колесных транспортных средств.

Особенно отмечены работы П.В. Аксенова, Д.А. Антонова, Е.Е. Баженова, Б.Н. Белоусова, Ю.А. Брянского, Дж. Вонга, М.С. Высоцкого, Г.И. Гладова, А.Б. Дика, Я.Х. Закина, Г.О. Котиева, В.Н.Кравца, A.C. Литвинова, JI.H. Орлова, В.Ф. Платонова, С.Д. Попова, А. Риса, Ю.Л. Рождественского, Г.А. Смирнова, Я.Е. Фаробина, A.A. Хачатурова,

Г.Д. Цейтлина, Д.Р. Эллиса и труды научных школ МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАДИ, МАМИ, 21 НИИИ МО РФ, ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», БИТУ (г. Минск), Академии БТВ, НИЦИАМТ.

Рис. 1. Автопоезда-тяжеловозы при перевозке КТГ

В заключнние первой главы были сформулированы основные задачи, решение которых необходимо для достижения цели работы, чему и посвящены остальные главы диссертации.

Во второй главе представлена математическая модель движения автопоезда в составе автомобиля-тягача и прицепного звена по недеформируемым опорным основаниям.

Продольно-угловые и поперечно-вертикальные углы взаимного перемещения звеньев при движении автопоезда по горизонтальному основанию невелики. В этой связи движение каждого звена, как твердого тела, рассматривается в горизонтальной плоскости, с учетом угла подъема в направлении движения, на ровной недеформируемой опорной поверхности и складывается из поступательного движения центра масс и вращательного движения вокруг центра масс (рис. 2).

Система уравнений (1), описывающая данное движение, позволяет рассчитать текущие ускорения по значениям сил и моментов, действующим на звено автопоезда.

о

X'

Рис. 2. Расчетная схема движения автопоезда с поворотным дышлом

¿у, 1 Гд

^ = ■Ч- + ®= К = — £ «„ + ^, - 1

Л от ^М

/7/

(1)

Л

где т - масса автомобиля-тягача; ■]-_ - момент инерции автомобиля-тягача относительно оси г; к — вектор скорости центра масс автомобиля-тягача; а — вектор ускорения центра масс автомобиля-тягача (производная от вектора

скорости центра масс); — -производная от вектора скорости центра масс

автомобиля-тягача; — вектор угловой скорости поворота автомобиля-тягача; в — угол поворота автомобиля-тягача относительно оси х'; х',г' — координаты центра масс автомобиля-тягача в неподвижной системе координат; х-у - подвижная система координат, связанная с автомобилем-тягачом; Я,- — вектор силы взаимодействия с опорным основаниям, действующей на /-ое колесо; Ры - вектор силы сопротивления воздуха; М,ш -момент сопротивления повороту /-го колеса; - сила, действующая со стороны сцепного устройства по оси х; /гг1 - сила, действующая со стороны сцепного устройства по оси у; М, - момент, передаваемый на корпус со стороны сил, действующих в сцепном устройстве.

Л

Система уравнений, описывающая динамику второго звена системы (поворотного дышла), может быть представлена в виде

~ Л - (О, т

II + со! Ш

Л с1со. = М2 + М22;

II =к • соэ 9 - ■ вт

н =к втб? + ^ соз0;

_ав ~ л

где ~~ силы, действующие на центральное звено автопоезда со

стороны переднего и заднего сцепных устройств, соответственно, по оси хрг,; ~ силы, действующие на центральное звено автопоезда со

стороны переднего и заднего сцепных устройств, соответственно, по оси Ург\; М21,М22 - моменты, передаваемые на корпус центрального звена автопоезда, со стороны сил, действующих в переднем и заднем сцепных устройствах, соответственно.

Выбранное описание силы взаимодействия движителя с опорным основанием опирается на подход, предложенный в работах Ю.Л. Рождественского и А.Б. Дика: пятно контакта колеса с дорогой представляется в виде эллипса, результирующая реакция направлена противоположно скорости скольжения, которая определяется как векторная сумма переносной и относительной скорости. Такое представление наиболее точно характеризует движение транспортных средств с большими углами увода, что характерно для автопоездов.

Нормальные реакции на колёса перераспределяются вследствие действия силы сопротивления воздуха, моментов сопротивления качению колёс, ускорения центра масс, а также сил, действующих в сцепном устройстве. Учитывается, что концы их векторов лежат в одной плоскости:

".-1 + Я,! + + + Я.-! + + Я.-7 +Д., +

К

Я.,-1, +й.г + +Л-4-дг, + Л-5 -х, +Я-, ■х1 + Я., -х, +У м, Я, =

К, 7. + Кг'У г + л=,'Л + *.ч 'У, + Л.-5'Л + Д-«'Л + Л,"Л + 'Л + Л,'= "и''+ ^,'•

где х„ у, — координаты /'-го колеса в подвижной системе координат х-у, Нг - высота центра масс автомобиля, , Н - высоты точки приложения

сил воздушного сопротивления в фронтальной и боковой проекциях автомобиля, соответственно, Н — высота точки приложения сил в сцепном устройстве, ^ — вертикальная нагрузка на сцепное устройство.

Значения нормальных реакций должны быть > 0. Если одна (или несколько) из нормальных реакций получается отрицательной, то эта реакция (реакции) принимается равной нулю и система решается заново (соответственно число уравнений уменьшается). Если при решении системы уравнений получаем четыре и более отрицательных значения тогда останавливаем процесс численного моделирования, так как этот режим соответствует опрокидыванию.

Сила взаимодействия с опорным основаниям определяется по формуле: Я, = А • (4)

где /л2 - коэффициент трения частичного скольжения, являющийся функцией направления скольжения а, величины скольжения 5 и максимального коэффициента взаимодействия с опорным основанием

Р, =/С", пвх >«>5)-

Коэффициент буксования:

V

Б = (5)

">к-Гь,

где гко - радиус колеса в свободном режиме качения.

Вектор силы взаимодействия с грунтом Щ направлен противоположно вектору скорости скольжения .

Момент сопротивления качению колеса М(, действующего в плоскости его вращения, рассчитывается по формуле:

Ч: (6)

где/- коэффициент сопротивления прямолинейному движению колеса.

В качестве примеров компютерноеь моделирование движения автопоезда проводилось на типах опорного основания с низкими и высокими сцепными свойствами: «лед со снегом» (//11гах = 0,3; / = 0,05), «грунтовое основание» (//1ППХ = 0,6;/= 0,05) и «микст».

Математические модели трансмиссии реализованы для следующих случаев: с раздачей мощности по бортам и межбортовым дифференциалом, для полностью дифференциальной трансмиссии, для случая блокированной связи между всеми колесами, а также для индивидуального привода каждого колеса. Связь между уравнениями динамики автомобиля-тягача и

ю

трансмиссии осуществляется как через определяемые из решения уравнения динамики трансмиссии угловые скорости колес, так и через уравнения для моментов, при этом силы взаимодействия определяются из уравнений динамики автопоезда:

Мк, (7)

где г, - расстояние от оси колеса до дорожной поверхности.

Силы и моменты в узле сочленения определяются в соответствии со схемами, представленными на рис. 3 и 4.

Для теоретического исследования криволинейного движения автопоездов на горизонтальном опорном основании предложено связь в узле сочленения (УС) считать упруго-демпфирующей. Абсолютно жесткий или кинематический характер связи накладывают на модель ряд ограничений, наиболее важным из которых является необходимость полного изменения математической модели в случае добавления одного или нескольких звеньев.

Реализация упруго-демпфирующей связи достигается следующим образом: автопоезд условно разрывается в узле сочленения, на каждом звене отброшенная секция заменяется соответствующими силами и моментами, динамика тягача и прицепа рассматривается по отдельности.

Рис. 3. Схема к определению координат точек узлов сочленения автопоезда с

дышлом

На ¡-ом шаге моделирования расстояние между шарнирами секций автопоезда в неподвижной системе координат равно А, а степень его изменения по времени Д, тогда сила в узле сочленения определяется по следующему выражению:

А + мЛ

д _ (Х\ -Х[у (Х[-X[)+{Y;- К) -(ff- П) д

где Се- коэффициент жесткости сцепного устройства в продольном направлении; цР - коэффициент сопротивления демпфера сцепного устройства в продольном направлении; X't,X'2,Y',Y2 - проекции точек шарниров сцепных устройств звеньев на оси неподвижной системы координат.

Проекции силы действующей в узле сочленения, на оси неподвижной системы координат:

Fxs=F<- eos/?, Fys = F. • sin /?,

x:-x:

A

: eos (9)

Y'-Y'

i—^ = sin /3,

где р - угол, характеризующий направление действия силы в узле сочленения относительно неподвижной системы координат.

Проекции сил, действующей в узле сочленения, на оси систем координат, связанных с корпусами звеньев, а также моменты от этих сил, определяются по зависимостям:

Fx, = cos ©Cl • (-FK) + sin ©CI ■ (~Fys); FX2 = cos 0C2 ■ F^ + sin 0C2 • Fys; Fn = sin ©ci' Fxs + cos 0C1 • (-Frs); Fr2 = sin ®C1 ■ {-Fxs) + cos ®C2' Frs> My = Fyi • d¡; M2=FY2-d2.

где ©C1 и ©C2 — угол поворота корпуса первого и второго звена, соответственно, в неподвижной системе координат; d, и d^ — расстояние от центра масс до шарнира сцепного устройства для первого и второго звена, соответственно.

На основе разработанной модели движения автопоезда предложен метод повышения безопасности движения автопоездов при перевозке КТГ.

Численное моделирование движения автопоезда при различных вариантах конструкции сцепного устройства проводилось в приложении Simulink программного комплекса Matlab.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований. Представлено подробное описание объектов исследований, аппаратурно-измерительных средств, условий и методик проведения экспериментов. На основании сравнения полученных результатов с расчётными данными произведена оценка адекватности разработанной математической модели движения автопоезда с поворотным дышлом.

В качестве объекта исследований выбрано двухзвенное транспортное средство, состоящее из автомобиля-тягача марки MA3-7310 и прицепного модуля ЧМЗАП-83881. Исследуемый автопоезд является реальным юбъеттом, и эксплуатируется предприятием ООО «ОКБ «Спецтяжпроект», входящим в группу компаний «Спецтяжавтотранс», при перевозке специальных грузов различного назначения. Общий вид объекта представлен на рис. 5.

Характеристики движения определялись для двух выполняемых маневров: «Переставка» и «Поворот». Испытания проводились при минимальной скорости движения и максимальных углах поворота управляемых колес.

Рис. 5. Общий вид автопоезда

Регистрация траектории производилась по базовым точкам, в качестве которых были выбраны: последнее колесо внутреннего борта прицепа (7^), первое колесо внешнего борта прицепа (Г2), последнее колесо внутреннего борта автомобиля-тягача (Г,), крайняя передняя точка автомобиля-тягача по внешнему борту (по бамперу) (Г4). Траектория передвижения фиксировалась путем расстановки отметчиков траекторий в определенных точках (Т..). Расчетная схема проведения эксперимента «Поворот» представлена на рис. 6.

¡Г'

Рис. 6. Расчетная схема проведения эксперимента «Поворот»

Выполнение маневра «Поворот»

__Таблица 1

Расстояния от С0 и между точками, м № базовой точки

1 2 3 4

А, 16 15,8 13 21,85

К 4,3 9,2 9,1 11,6

К 13,85 18 18 26,5

А1у 5,7 7,4 6 9,4

'з, 12,5 21,2 20,1 26

Л/з, 6,1 12,9 10,5 17,2

13,6 22,2 19 19,4

8,8 8,7 7,3 9,5

и, 16,3 20 15,8 16,7

Л /5, 5,7 - - -

К 15,6 - - -

6,3 - - -

'у 14 - - -

По данным, представленным в таблице 1, были построены траектории базовых точек автомобиля-тягача и прицепного звена. Рис. 7 иллюстрирует

Рис. 7. Траектории базовых точек тягача и прицепа

Полученные в ходе моделирования криволинейного движения исследуемого автопоезда на ровном недеформируемом опорном основании результаты имеют приемлемую сходимость с данными экспериментов для двух исследуемых видов маневров: «Поворот» и «Переставка». Расхождение по основным показателям криволинейного движения не превышает 12%.

Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований позволила сделать вывод об адекватности разработанной математической модели движения автопоезда и пригодности ее для оценки безопасности при перевозке тяжелых неделимых крупногабаритных грузов.

В четвертой главе представлен метод повышения безопасности движения большегрузных колесных транспортных систем при перевозке крупногабаритных неделимых грузов, основанный на разработанной математической модели движения многозвенного автопоезда и заключающийся в выборе рациональных управляющих воздействий с помощью имитационного математического моделирования на этапе подготовки перевозки. Приведены также результаты теоретических исследований криволинейного движения автопоезда на различных типах опорного основания при следующих сочетаниях схем рулевого управления автомобиля-тягача и прицепного звена:

1. Схема рулевого управления автомобиля тягача традиционная (1200, полюс находится между 3-ей и 4-ой осями); полюс рулевого управления прицепного звена находится в центре базы, поворот колес прицепа определяется углом поворота дышла относительно прицепа.

2. Схема рулевого управления автомобиля тягача традиционная (12-00, полюс находится между 3-ей и 4-ой осями); полюс рулевого управления прицепного звена находится на задней оси, поворот колес прицепа определяется углом поворота дышла относительно прицепа.

3. Схема рулевого управления автомобиля тягача традиционная (1200, полюс находится между 3-ей и 4-ой осями); полюс рулевого управления прицепного звена смещен за заднюю ось на 1 м, поворот колес прицепа определяется углом поворота дышла относительно прицепа.

4. Схема рулевого управления автомобиля тягача традиционная (1200, полюс находится между 3-ей и 4-ой осями); полюс рулевого управления прицепного звена находится на передней оси, поворот колес прицепа определяется углом поворота дышла относительно прицепа.

Результатами имитационного моделирования доказано, что по критерию обеспечения минимальной ширины коридора движения при максимальном угле поворота управляемых колес наиболее благоприятным является вариант 3. Уменьшение ширины коридора движения в сравнении с двумя другими вариантами составило от 10 до 28%. При этом наблюдалось также уменьшение сил, действующих в узле сочленения на 18-20%.

На следующем этапе теоретических исследований анализировался вариант с всеколесным рулевым управлением для автомобиля-тягача, функционирующим в соответствии с законом:

(11)

где X — положение полюса рулевого управления; Ь — база автомобиля-тягача; 0пш - максимальный угол поворота задающего колеса, обусловленный конструктивными ограничениями; в - угол задающего колеса (средний угол на передней оси); в1ап - угол запаздывания; п -показатель, определяющий вид кривой изменения положения полюса рулевого управления.

Результаты исследования показали, что применение всеколесного рулевого управления для автомобиля-тягача не позволяет достичь преимуществ в сравнении с традиционными схемами рулевого управления по обеспечению минимальной ширины коридора движения при маневрировании, а также по критерию снижения нагрузок в сцепном устройстве.

V, [м] 50

40

30

20

10

о

-20 -10 О 10 20 X, [м1

Рис. 8. Траектория движения автопоезда при выполнении маневра «Поворот»

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработан новый метод повышения безопасности движения автопоездов на стадии проектирования техники и подготовки перевозок крупногабаритных тяжеловесных грузов. Особенность метода заключается в возможности имитации воздействий водителя (оператора) на органы управления автопоездом на стадии подготовки перевозки, а также в возможности исследования эффективности различных схем рулевого управления автомобиля-тягача и прицепного звена на показатели маневренности.

Хр=Ь/2-

в -в

р з ан

в -в

2. Разработана математическая модель движения автопоезда, позволяющая прогнозировать характеристики маневренности при перевозке КТГ по ровному горизонтальному недеформируемому опорному основанию на этапе подготовки перевозки. Особенностью модели является представление поворотного дышла, соединяющего автомобиль-тягач с прицепом, в виде отдельного звена, имеющего степень свободы в плоскости движения относительно двух звеньев автопоезда. В математической модели учтена возможность реализации различных законов и алгоритмов функционирования систем рулевого управления, различных тяговых сочетаний звеньев автопоезда, а также конструктивных особенностей сцепных устройств. Действие среднего звена учитывается при определении нормальных реакций автомобиля-тягача и прицепного звена.

3. Сравнением результатов имитационного моделирования и натурных экспериментов доказана адекватность разработанной математической модели движения автопоезда по ровному горизонтальному недеформируемому основанию с точностью, приемлемой для прогнозирования характеристик криволинейного движения, и её пригодность для практического использования при исследовании эффективности функционирования различных законов управления поворотом колёс на совокупности дорожных условий. Относительная погрешность по основным показателям криволинейного движения при выполнении маневра «Поворот» не превышает 8%, при выполнении маневра «Переставка» - 12%.

4. Доказано с помощью имитационного моделирования, что новый метод повышения безопасности движения автопоездов на стадии проектирования техники и подготовки перевозок крупногабаритных тяжеловесных грузов позволяет выработать управляющие воздействия автопоездом, позволяющие предотвратить выход любого из звеньев за пределы заданного коридора движения и повысить среднюю скорость движения на маршруте на 7-9%.

5. Результатами имитационного моделирования доказано, что по критерию обеспечения минимальной ширины коридора движения при максимальном угле поворота управляемых колес наиболее благоприятным является вариант №1 (схема рулевого управления автомобиля тягача традиционная (12-00, полюс находится между 3-ей и 4-ой осями); полюс рулевого управления прицепного звена находится в центре базы, поворот колес прицепа определяется углом поворота дышла относительно прицепа). Уменьшение ширины коридора движения в сравнении с тремя другими вариантами при выполнении поворота с минимальным радиусом составило от 10-28%. При этом наблюдалось также уменьшение сил, действующих в узле сочленения на 18-20%.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Тропин С.Л., Горелов В.А. Математическая модель криволинейного движения автопоезда по недеформируемому опорному основанию // Журнал ассоциации автомобильных инженеров. - 2011. -№.5 - С. 18-22.

2. Горелов В.А., Котиев Г.О., Тропин С.Л. «Веерный» закон для всеколесного рулевого управления многоосных колесных транспортных средств // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2012. - №2. -С. 102-116.

3. Тропин С.Л., Горелов В.А., Масленников Л.А. Прогнозирование характеристик криволинейного движения многоосной колесной машины при различных законах всеколесного рулевого управления [Электронный ресурс] // Электрон, журн. «Наука и образование: электронное научно-техническое издание». 2012. Выпуск 5, №77-30569/403845 - Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/403845.html, свободный.

Подписано в печать 20.03.2014. Формат 60 х 84 Бумага офсетная. _Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 219._

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Предприятие по перевозке крупногабаритных тяжеловесных грузов

«Спецтяжавтотранс»

04201 457592 На правах рукописи

Тропин Сергей Львович

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ БОЛЬШЕГРУЗНЫХ КОЛЕСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПЕРЕВОЗКЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ

НЕДЕЛИМЫХ ГРУЗОВ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. Горелов В.А.

Нижний Новгород 2013

Содержание

стр.

Введение................................................................................ 4

Глава 1. Состояние вопроса. Постановка задач исследования......... \2

1.1. Расчетные и экспериментальные методы определения характеристик криволинейного движения автопоездов.............. 12

1.2. Анализ работ по исследованию устойчивости и управляемости колесных транспортных средств......................................... 20

1.3. Конструирование и расчет приводов рулевого управления

автопоездов-тяжеловозов..................................................... 41

Глава 2. Метод прогнозирования характеристик криволинейного движения колесных транспортных систем большой грузоподъемности.................................................................................... 54

2.1. Математическая модель криволинейного движения двух-звенного автопоезда по недеформируемому опорному основанию 54

2.1.1. Общие положения, касающиеся разработки математической модели........................................................................... 54

2.1.2. Расчетные схемы и уравнения динамики криволинейного движения автопоездов при различных конструктивных вариантах ................................................................... 54

2.1.3. Математическое моделирование взаимодействия звеньев автопоезда через сцепные устройства........................... 63

2.1.4. Математическая модель взаимодействия колесного движителя с недеформируемым опорным основанием.............. 68

2.1.5. Моделирование сил воздушного сопротивления......... 76

2.1.6. Уравнения для определения нормальных реакций под колесами звеньев автопоезда.......................................... 77

2.1.7. Математическая модель трансмиссии автопоезда....................................................................................................................................79

2.1.8. Моделирование действий водителя............................

2.2. Программная реализация математической модели............... ^

2.3. Выводы..................................................................... ^00

Глава 3. Экспериментальные исследования движения

двухзвенного автопоезда на недеформируемом опорном основании 101

3.1. Цель и объект исследования......................................................................................Ю1

3.2. Условия и методики проведения экспериментальных исследований......................................................................................................................................107

3.3. Аппаратурно-измерительный комплекс..........................................................119

3.4. Результаты экспериментальных исследований. Оценка адекватности и точности математической модели движения автопоезда....................................................................... 122

3.5. Выводы..................................................................... 129

Глава 4. Результаты теоретических исследований криволинейного движения автопоезда при различных законах управления поворотом колес прицепной платформы.............................................. 131

4.1. Повышение безопасности движения большегрузных колесных транспортных систем при перевозке крупногабаритных неделимых грузов.............................................................. 131

4.2. Методика и исходные данные для проведения вычислительных экспериментов............................................................ 133

4.3. Анализ результатов моделирования.................................. 135

4.4. Выводы..................................................................... 167

Основные результаты и выводы по работе.................................. 168

Список литературы................................................................ 170

Введение

Большинство грузов в различных отраслях экономики может перевозиться как одиночными автомобилями, так и автопоездами, в то время, как транспортировка крупногабаритных тяжеловесных грузов (КТГ) осуществляется исключительно специализированными автопоездами-тяжеловозами с седельными или балластными внедорожными автомобилями-тягачами. Область применения таких транспортных средств весьма широка: перевозка неделимых агрегатов, машин и оборудования к месту монтажа на промышленных объектах; готовых неделимых строительных блоков и конструкций к месту строительства; различных строительных, дорожных, землеройных и других подобных машин и оборудования к месту эксплуатации (рис. В.1). В зависимости от характера перевозимого груза и дорожных условий буксировка прицепов или полуприцепов с грузом может производиться одним или несколькими автомобилями-тягачами.

Рис. В.1. Автопоезда-тяжеловозы при перевозке КТГ

Особенности автопоездов-тяжеловозов определяют их принципиальное отличие от транспортных средств общего назначения. В автопоезде-тяжеловозе доминирующее значение имеет прицепное звено, параметры которого: грузоподъемность, осевая нагрузка, габаритные размеры, маневренные качества - являются основными, определяющими эксплуатационные свойства автопоезда в целом. Применяемые в составе прицепного автопоезда-тяжеловоза тяговые автомобили чаще всего являются балластными и в отличие от автомобилей общего назначения в качестве одиночных редко используются для перевозки грузов.

Комплектование автопоезда предусматривает подбор к данному конкретному прицепу-тяжеловозу одного или нескольких тягачей, обеспечивающих возможность его буксирования в заданных эксплуатационных условиях. При этом существенные для автопоездов общего назначения скоростные и динамические качества для большинства автопоездов-тяжеловозов имеют второстепенное значение. На первый план выходят показатели, определяющие безопасность движения.

Использование многоосных транспортных средств большой и особо большой грузоподъемности, отличающихся габаритными размерами и осевыми нагрузками, остро ставит проблему вписываемости этих машин в закругления и повороты существующей дорожной сети и обеспечения маневра при движении на местности, на строительных площадках и в других условиях.

Маневренность транспортных средств большой грузоподъемности характеризуется следующими показателями:

- минимальным радиусом поворота по оси следа переднего внешнего колеса;

- наружным габаритным радиусом поворота;

- шириной коридора, занимаемого автомобилем или автопоездом при повороте с заданным наружным габаритным радиусом.

Основным оценочным показателем маневренности следует считать ширину коридора, которая определяется как разность радиусов двух точек машины - наиболее удаленной от центра поворота и наиболее близкой к нему и которая характеризует возможность движения в проездах заданной формы и размеров.

Опыт эксплуатации автопоездов-тяжеловозов предприятием «Спецтяжавтотранс», работающим с 1978 года в сфере доставки неделимых крупногабаритных грузов, как на территории России, так и за рубежом, подтверждает то, что проблема обеспечения движения транспортной системы в заданном коридоре, зачастую ограниченном спецификой дорожной сети, является одной из основных в аспекте безопасности движения, а также реализации максимальной средней скорости движения на заданном маршруте.

Для минимизации коридора движения, и, тем самым, сокращения потребной ширины дорожного полотна, необходимой для поворота, колеса прицепных звеньев выполняют управляемыми. Наибольшее распространение в качестве систем управления поворотом колес прицепных звеньев, входящих в состав многозвенных колесных транспортных комплексов, получили системы с гидравлическим силовым следящим приводом, работающим в функции угла складывания звеньев автопоезда. Известно большое количество конструктивных вариантов организации систем управления звеньями автопоезда, а также алгоритмов и законов для их функционирования.

Важность задачи улучшения маневренности подтверждается также тем обстоятельством, что зачастую к местам назначения грузы необходимо доставлять без дополнительных капитальных вложений на совершенствование дорог.

Очевидно, что развитие конструкции автопоездов должно идти, в том числе, по пути усовершенствования поворотных устройств, внедрения

автоматизированных систем управления, разработки новых законов и алгоритмов для работы системы рулевого управления, с целью обеспечения вписываемости всех звеньев в габаритную полосу. В то же время, для синтеза рациональных конструкций систем рулевого управления автопоездов-тяжеловозов, проверки работоспособности и эффективности предлагаемых законов и алгоритмов, а также для повышения безопасности движения при перевозке КТГ необходимо располагать инструментарием для решения таких задач на стадии проектирования техники и на этапах подготовки перевозки.

Конструктивные особенности автопоездов с одной стороны позволяют реализовывать многообразие схем и законов работы для систем рулевого управления, с другой стороны - затрудняют прогнозирование показателей маневренности, даже если ограничиваться небольшими скоростями движения.

В этой связи, задача разработки математической модели движения многозвенного автопоезда с учетом возможности реализации различных законов управления автомобилем-тягачом и прицепными звеньями, которая позволит прогнозировать характеристики криволинейного движения на стадии проектирования техники и подготовки перевозки КТГ, представляется очень актуальной научной и практической задачей.

На этапе разработки наиболее эффективным является прогнозирование характеристик подвижности колесных транспортных средств при функционировании различных законов и алгоритмов для систем управления с использованием имитационного математического моделирования на ЭВМ. Проведение вычислительных экспериментов на ранних стадиях создания техники дает возможность исследовать эффективность различных законов и алгоритмов на совокупности дорожных условий, при выполнении разнообразных маневров, в том числе, соответствующих отраслевым стандартизованным испытаниям. Это позволяет разработчикам определяться с требованиями к системам управления транспортными средствами,

сокращать сроки доводочных испытаний и, тем самым, снижать стоимость разработки, прогнозировать эксплуатационные свойства на стадиях проектирования техники и подготовки перевозки КТГ.

Целью работы является повышение безопасности движения большегрузных многозвенных колесных транспортных систем при перевозке крупногабаритных неделимых грузов.

В первой главе диссертации приведен анализ расчетных и экспериментальных методов определения параметров криволинейного движения транспортных средств. Представлены исследования отечественных и зарубежных ученых, посвященные оценке маневренности, управляемости и устойчивости автопоездов, а также возможности повышения данных эксплуатационных свойств за счет совершенствования систем управления прицепными звеньями. Дана оценка методам расчета систем рулевого управления, а также особенностям математического моделирования движения колесных транспортных средств.

Выполненные в первой главе исследования позволили для достижения цели работы обосновать необходимость решения следующих задач:

- разработки нового метода повышения безопасности движения автопоездов на стадии проектирования техники и подготовки перевозок крупногабаритных тяжеловесных грузов;

- создания новой математической модели движения двухзвенного автопоезда с поворотным дышлом по недеформируемым опорным основаниям для оценки безопасности и тягово-динамических свойств при транспортировке крупногабаритных тяжеловесных грузов, в которой учитывается возможность реализации различных законов и алгоритмов рулевого управления автомобиля-тягача и прицепных звеньев;

проведения экспериментальных исследований маневренности автопоезда при движении по недеформируемому опорному основанию с целью сравнения результатов имитационного моделирования и натурных

экспериментов для оценки адекватности разработанной математической модели движения;

- проведения теоретических исследований криволинейного движения автопоезда при перевозке КТГ в случае различных законов функционирования систем рулевого управления, в том числе и всеколесного для автомобиля-тягача;

- обоснования выбора рациональных схем рулевого управления автопоездов-тяжеловозов, предназначенных для перевозки КТГ.

Решению этих задач посвящены другие главы диссертационного исследования.

Во второй главе описаны особенности имитационного математического моделирования динамики автопоезда, математическая модель взаимодействия колесного движителя с недеформируемым основанием, основанная на представлении об эллипсе трения и коэффициенте трения частичного скольжения, математическая модель взаимодействия звеньев автопоезда, математическая модель действий водителя с целью поддержания заданной скорости движения, а также особенности программной реализации разработанной математической модели. Представленная математическая модель движения многозвенного автопоезда, как совокупности твердых тел, пригодна для исследования работоспособности и оценки эффективности различных законов управления поворотом колёс автомобиля-тягача и

прицепного звена. ♦

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований. Дается описание объекта исследований, аппаратурно-измерительного комплекса, условий и методики проведения эксперимента. На основании сравнения полученных результатов с расчётными данными произведена оценка адекватности и точности математической модели движения автопоезда.

В четвертой главе представлены результаты теоретических исследований криволинейного движения автопоезда на различных типах опорного основания при различных законах управления поворотом колес автомобиля-тягача и прицепного звена. На основании полученных результатов обоснованы рекомендации по практической реализации систем управления автопоездов-тяжеловозов.

В заключении даются общие выводы и рекомендации по работе.

Научная новизна результатов исследований, выносимых на защиту, заключается:

• в разработке нового метода повышения безопасности движения многозвенных автопоездов по недеформируемым опорным основаниям при перевозке КТГ за счет выбора рациональных управляющих воздействий водителя (оператора) на стадии подготовки перевозки при использовании аппарата имитационного математического моделирования;

• в создании математической модели движения автопоезда в составе автомобиля-тягача и прицепного звена по недеформируемому опорному основанию, в которой поворотное дышло представляется в виде отдельного звена с массовыми и габаритными, имеющего степень свободы в горизонтальной плоскости как относительно автомобиля-тягача, так и относительно прицепного звена. В модели учитывается возможность реализации различных законов и алгоритмов для систем рулевого управления автомобиля-тягача и прицепного звена. Модель позволяет имитировать движение автопоезда в заданных условиях эксплуатации, и, тем самым, значительно сократить сроки проектирования, доводочных испытаний, а также сроки подготовки перевозки КТГ и повысить безопасность и движения;

• в результатах теоретических исследований криволинейного движения многозвенного автопоезда при использовании различных законах

управления поворотом колес автомобиля-тягача и прицепного звена, в том числе, при всеколесном рулевом управлении.

Глава 1. Состояние вопроса. Постановка задач исследования

1.1. Расчетные и экспериментальные методы определения характеристик криволинейного движения автопоездов

Наиболее ранние работы по теории криволинейного движения автопоездов были посвящены изучению маневренности, а также определению ее основных показателей.

Под маневренностью понимают совокупность таких свойств, которые обеспечивают возможность беспрепятственного движения по опорной поверхности, имеющей ограничения в размерах площади и в форме [1]. Такие ограничения могут быть пространственными, связанными с длиной и высотой автопоезда. Существуют ограничения, определяемые формой и размерами дорожного полотна, служащего опорной поверхностью для движения звеньев автопоезда-тяжеловоза.

При движении автопоезда все его точки совершают поступательное перемещение по своим траекториям, образующим в совокупности полосу движения, которую весьма трудно определить расчетным путем и невозможно оценить небольшим набором параметров. Поэтому для оценки маневренности используют такие показатели как [1,2]: минимальный и максимальный габаритные радиусы поворота, параметр маневренности при круговом движении, поворотная ширина по следу колес, габаритная полоса движения, аппроксимированная габаритная полоса движен