автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Повышение проходимости колесных машин по снегу путем применения шин сверхнизкого давления

На правах рукописи

«ио0571ю

МАНЯНИН СЕРГЕИ ЕВГЕНЬЕВИЧ

У

ПОВЫШЕНИЕ ПРОХОДИМОСТИ КОЛЕСНЫХ МАШИН ПО СНЕГУ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ШИН СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.05.03 - Колесные н гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 ДЕК 2012

Нижний Новгород — 2012

005057110

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом униве^ им.Р.Е.Алексеева на кафедре « Автомобили и тракторы»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Л.В. Барахтанов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.Н. Наумов

кандидат технических наук, доцент

В.Е. Колотилин

Ведущая организация: ГНЦ РФ ФГУП« НАМИ»

Защита диссертации состоится « 20 » декабря 2012 года в «15:00» часов заседании диссертационного совета Д212.165.04 в Нижегородском государствен техническом университете по адресу: 603600, Нижний Новгород, ГСП-41, Минина 24, Первый учебный корпус, ауд. 1258

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородец государственного технического университета

Отзыв на автореферат с подписью, заверенной печатью организации, про! направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «_19 » ноября 2012года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.165.04 доктор технических наук, профессор

Л.Н. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Недостаточно развитая дорожная сеть России в районах Севера, Сибири и Дальнего Востока, вызывает большие затруднения в осуществлении транспортных операций при геологоразведке, нефте- и газодобыче, промышленном и дорожном строительстве, обслуживании предприятий энергетики и связи, сельского и лесного хозяйства, устранении чрезвычайных ситуаций. Особенно это относится к эксплуатации колесных машин в зимний период, когда почти девяносто процентов территории РФ устойчиво покрываются снегом на длительный срок когда их передвижение не только затрудняется, но часто исключается совсем. Одним из эффективных, на наш взгляд, средств повышения проходимости колесных машин по снегу является применение шин сверхнизкого давления.

Следует отметить, что теория движения и методы расчета колесных машин по грунтам с низкой несущей способностью, к которым относится снег, достаточно хорошо разработана как зарубежными, так и отечественными исследователями. Однако вопросы передвижения по снегу машин на шинах сверхнизкого давления освещены недостаточно. Создание новых колесных машин, обоснование выбора рациональных параметров движителя на стадии проектирования требует новых теоретических разработок и методик расчета. Поэтому работа, посвященная обоснованию технических решений, позволяющих существенным образом повысить проходимость колесных машин по снегу, является актуальной.

Основные научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки по теме диссертации выполнялись в рамках двух федеральных целевоых программ: «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012годы» по теме «Создание экспериментального образца транспортного средства на шинах сверхнизкого давления для работы на слабонесущих опорных поверхностях» и программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме «Создание энергокоэффективных движителей транспортных средств на основе анализа процесса их взаимодействия с опорной поверхностью в различных дорожных условиях и на бездорожье».

Цель работы. Повышение проходимости колесных машин по снегу на основе комплекса экспериментально-теоретических исследований шин сверхнизкого давления и опытно-конструкторских работ.

Научная новизна. Рассмотрена физическая картина процесса вертикальной деформации снежного покрова шиной сверхнизкого давления, получена зависимость деформации снега от величины нагрузки на колесо, внутреннего давления воздуха в шине и высоты снежного покрова.

Разработан расчетный метод и определены нагрузочные характеристики шин сверхнизкого давления.

Разработаны алгоритм, программа и методика расчета проходимости колесных машин, обрудованных шинами сверхнизкого давления по снегу; показано влияние наиболее существенных параметров ходовой части, определяющих проходимость машин по снегу.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказана целесообразность применения шин сверхнизкого давления для повышения проходимости колесных машин по снегу.

Объекты исследований. На разных этапах работы в качестве объе* исследований выбирались колесные машины на шинах сверхнизкого давления Т1 30071, TTC 30076 «Кержак», TTC 3910 «Ункор».

Общая методика исследований. При проведении теоретичесм исследований использованы методы механики фунтов, численные методы решен! систем нелинейных уравнений и методы математического моделировани Экспериментальные исследования проводились на серийных машинах, опытнь образцах, стендах, а также на специально созданных установках с использование современных измерительных средств.

Основные положения, выносимые на защиту. Математическая модел алгоритм, программа и метод расчета проходимости колесных машин на шиш сверхнизкого давления по снегу.

Расчетно-теоретическое и опытное обоснование применимости пи сверхнизкого давления для повышения проходимости машин по снегу.

Практические рекомендации и конструктивные решения, направленные i повышение проходимости колесных машин по снегу; созданное по результата исследований семейство колесных машин на шинах сверхнизкого давления.

Достоверность результатов. Экспериментальными исследованиям: проведенными на серийных машинах, опытных образцах, стендах и установка установлена справедливость физических представлений и теоретически положений, обоснованность допущений и адекватность математических моделей.

Практическая ценность. Разработанные методики расчета позволяй произвести оценку проходимости колесных машин по снегу, наметить пути i повышения и обосновать технические решения существенным образо повышающих проходимость колесных машин по снегу.

Реализация работы. Теоретические разработки, методики расчете технические предложения, практические рекомендации внедрены при создани новых и модернизации существующих конструкций колесных машин в ОО «ТрансМаш», ООО «СпецТех» и используются в учебном процессе на кафед{ «Автомобили и тракторы» НГТУ им.Р.Е.Алексеева.

Апробация работы. Отдельные этапы и основное содержание работ докладывались на международной научно-технической конференци «Проектирование, испытания, эксплуатация транспортных машин и транспорта! технологических комплексов» (Н.Новгород, 2005 г.); международной научн( технической конференции ААИ « Автомобиле- и тракторостроение в России посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ» (Москва, 2010 г.); 10-Всероссийскс научно-технической конференции «Проблемы автотранспортного комплексе (Екатеринбург, 2011 г), 3 международной научно-технической конференции Проблемы транспортных и технологических комплексов» (Н.Новгород, 2012 г. международной научно-технической конференции «Проектирование колесны машин», посвященной 75-летию кафедры «Колесные машины» МГТУ ш Н.Э.Баумана (Москва, 2012 г.); 79-ой международной научно-техническс конференции «Безопасность транспортных средств в эксплуатации» (Н.Новгоро, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 18 научных работ, в то числе получено 4 патента на полезную модель.

Структура и объем паботы. Диссертация состоит из введения, четырех глав общих выводов и приложений. Изложена на 172 страницах компьютерного текста' содержит 45 рисунков, список использованных источников - 209 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы сформулированы цель исследования, определены научная новизна и практическая значимость, приведены структура и объем работы.

В первой главе проведен анализ ранее выполненных работ по теме диссертации. В теория движения, методах расчета транспортных средств высокой проходимости фундаментальными работами являются труды Я.С. Агейкина, П В Аксенова, A.C. Антонова, Д.А.Антонова, В.Ф. Бабкова, , И.Б. Барского М.Г.Беккера, И.Н. Бескина, Г.Б. Безбородовой, Б.Н. Белоусова, А.К. Бируля H ф' Бочарова, Ю.А. Брянского, Н. С. Вольской, Дж.Вонга, В.Г. Зимелева ' В П Горячкина, В.А. Грачева, A.A. Дмитриева, С.С. Дмитриченко, H.A. Забавникова В.В. Кацыгина, Л.А. Кемурджиана, М.К. Кристи, В.И. Кнороза, Н.Ф Кошарного И.П. Ксеневича, Г.О. Котиева, Г.М. Кутькова, В.В. Ларина, B.C. Лихачева А С Литвинова, В.Д. Львова, М.В. Ляшенко, В.Н. Наумова, И.П. Петрова ' В а' Петрушова, A.A. Полунгяна, А.Ф. Полетаева, Ю.В. Пирковского, В Ф Платонова ГА. Смирнова, В.М. Семенова, В.А. Скотникова, А.П. Софияна, А.П. Степанова' H.A. Ульянова, Б.С. Фалькевича, Я.Е. Фаробина, М.П. Чистова, Е.А. Чудакова, С.а' Шуклина, С.Б. Шухмана и ряда других ученых.

Отмечены работы Нижегородской научной школы в области взаимодействия движителя со снегом и проходимостью машин по снежной целине, выполненные Л.В. Барахтановым, В.В. Беляковым, И.О. Донато В. Н. Кравцом, А. П. Куляшовым В.А. Малыгиным, А. Ф. Николаевым, C.B. Рукавишниковым, 3. И. Талантовой В.А.Шапкиным и их учениками. '

Рассмотрены работы В.И. Котляренко, повященные научному обоснованию создания и разработки ходовых систем транспортных средств на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления

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

На базе комплексного изучения системы « снежное полотно пути - колесная машина» разработать математическую модель взаимодействия колесного движителя со снежным полотном пути.

Разработать расчетный метод определения нагрузочных характеристик шин сверхнизкого давления.

Рассмотреть физическую картину процесса вертикальной деформации снежного покрова шиной сверхнизкого давления, зависимость деформации снега от величины нагрузки на колесо, внутреннего давления воздуха в шине и высоты снежного покрова.

Разработать алгоритм, программу и методику расчета проходимости колесных машин, оборудованных шинами сверхнизкого давления по снегу.

Произвести оценку влияния наиболее существенных параметров шасси определяющих проходимость машин по снегу. '

Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказать целесообразность применения шин сверхнизкого давления для повышения проходимости колесных машин по снегу.

Провести на серийных машинах, опытных образцах, ходовых макетах стендах комплекс экспериментальных исследований для проверки теоретичесю разработок, методов и средств повышения проходимости колесных машин по снеп

Внедрить результаты исследований при создании новых и модернизащ существующих конструкций колесных машин.

Во второй главе рассмотрены характеристики спега как полотна пути да движения машин; нагрузочные характеристики шин сверхнизкого давлен! (ШСНД); сопротивление движению и методика расчета проходимости колеснь машин, оборудованных шинами сверхнизкого давления по снегу.

Для разработки математической модели движения колесной машины I снежной поверхности в первую очередь необходимо знать сопротивление сне, сжатию (зависимость вертикальной деформации снега от нормальной нагрузки), т. оно определяет погружение движителя, сопротивление движению и в значительш степени проходимость машины в целом.

Для определения сопротивлению грунта сжатию широко применяет! степенная зависимость между нагрузкой и деформацией, сформулированная общем виде В.П. Горячкиным - М.Н. Летошневым:

Я=сИ\ (!)

где с; п - константы грунта; А - глубина погружения.

В дальнейшем зависимость (1) была модернизирована М.Г. Беккером, а зат« и А. Риисом. Применение формулы (1) для определения сопротивлению сне сжатию вызывает ряд затруднений. Во-первых, эмпирические коэффициенты с и не связаны с такими важными параметрами снежного покрова, как - высотой j плотностью снега р и его начальной жесткостью у. Кроме того, в литерату] практически отсутствуют численные значения коэффициентов сии для снега.

Наиболее удачной зависимостью вертикальной деформации снега I нормальной нагрузки является, на наш взгляд, формула, предложенная в НГТУ:

а

nb + d

= -• ' Пу П4-П ' (2)

1

b + d ' Р + а

д+у ити г

v ^msx J

где h гаах - коэффициент, характеризующий величину деформации снега п] давлениях, соответствующих максимальному уплотнению; Пу - коэффицие! уплотнясмости снега; a, d - эмпирические коэффициенты; Ь - ширина штампа.

Вместе с тем следует отметить, что зависимость (1) широко применяется к отечественными, так и зарубежными учеными при расчете процесс! колееобразования, сопротивления движению и проходимости колесных гусеничных машин. Поэтому была поставлена задача: попытаться связа эмпирические коэффициенты с и и с такими важными параметрами снежно покрова, как высотой, начальной плотностью снега и коэффициентом начальн! жесткости. Вначале по формуле (2) были построены зависимости вертикалык деформации снега от нормальной нагрузки в диапазоне начальных плотностей

б

=0,15 - 0,30 г/см3 и коэффициентов начальной жесткости у=20 - 100 кПа/м. Затем те же зависимости были построены по формуле (1) и подобраны коэффициенты сип. В результате была получена зависимость вертикальной деформации снега от нормальной нагрузки:

д = {кхе~к^{Н) + у)И1а^н)+ь>] (3)

где

а{=-апр + Ь{{ щ{Н) = а,Н + Ьх (4)

Яц, Ь\, к\, кг коэффициенты аппроксимации.

Анализ графиков зависимостей вертикальной деформации снега от нормальной нагрузки, посчитанных по зависимостям (1) и (2) показал, что они имеют вполне удовлетворительную сходимость. В диапазоне реально залегающих высот снежного покрова их разница не превышала пяти процентов ( рис.1, индекс 0 - фор. 1, индекс 1 - фор. 2). Теперь, используя выражения (3) можно рассчитывать сопротивление снега сжатию с учетом наиболее важных параметров снежного покрова: высоты Я, плотности снега р и его начальной жесткости у.

Ь02(Ч) шяшт ^

Ы2(ч)

100

гзм

1и(Г» 40

Я- 671

о

о 5000 10000 15000

К7

Рис.1.Зависимость вертикальной деформации снега (м) от нагрузки _(кПа)_

Рис.2. Зависимости деформации шины (мм) от нагрузки (н)

Множество экспериментальных исследований, проведенных сотрудниками НГТУ им.Р.Е. Алексеева, позволили собрать обширные сведения в областях, связанных с изучением свойств снежного покрова как полотна пути и взаимодействия движителя со снегом. Были получены зависимости между механическими параметрами (коэффициент внутреннего трения, твердость, связность, коэффициент жесткости) и физическим параметром (плотность снега).

На основе новых экспериментальных данных установленные ранее зависимости были уточнены. Для описания взаимосвязи параметров снега в работе предложены регрессионные зависимости.

Для расчета нагрузочных характеристик применяются эмпирические и полуэмпирические зависимости, позволяющие оценить прогиб в зависимости от нормальной нагрузки и внутреннего давления воздуха в шине. При расчетах этим

формулам можно получить достаточно большую погрешность от 40 до 100%. можно объяснить тем, что упомянутые зависимости были получены в основном да многослойных шин высокого и низкого давления. В связи с этим была поставли задача определения нагрузочных характеристик шин сверхнизкого давлени обеспечивающих более высокую точность расчетов.

С коша 60-х годов к расчету пневматических шин начали применять мете конечных элементов. Этот метод для расчета шины представляет в пело достаточно сложную задачу, но при этом позволяет получить наиболее точны результат. На основе этого метода при помощи современных программных средст был произведен расчет шин сверхнизкого давления.

Для проверки адекватности составленной модели, а также сосггветств! полученных характеристик параметрам реальных шин был проведен сравнительнь анализ на основании данных, полученных при экспериментальных исследованш шин сверхнизкого давления.

Для сопоставления и анализа данных были построены совместнь экспериментальные графики нагрузочных характеристик для шин, а также конечна элементной модели. В случае компьютерного моделирования расхождеш составляет 7-10% (рис.2). На основании этого можно сделать вывод о применимое! данной конечно-элементной модели для дальнейших исследований.

При движении по снежному полотну пути колесная машина, к; динамическая система, испытывает возмущение, которым является снежный покро Поскольку твердое основание, на которое ложится снег, является случайж поверхностью, то и поверхность снежного полотна пути также является случайнс поверхностью, т.е. снежный покров представляет из себя физическое тел геометрически ограниченное сверху и снизу случайными поверхностями. Кро? того колесная машина является динамической системой с обратной связью, т.к. результате ее воздействия на возмущение оно изменяется (возникает колея).

Полная программная реализация математической модели, учитывающ< случайный характер микропрофиля дорог, деформируемость грунтовь поверхностей и криволинейность движения колесных машин, вызывает р: затруднений и выходит за рамки поставленных в настоящей работе задач. Поэтои при построении математической модели взаимодействия колесной машины I снегом и оценке проходимости сделаны следующие основные допущения:

-поверхность движения ровная, т.е. пренебрегаем влиянием микропрофи: местности; связь колес с корпусом машины является абсолютно жесткой во во направлениях, за исключением относительного вращение колес; процесс движет машины установившийся, прямолинейный.

Таким образом, при оценке проходимости машин решалась квазистатическ задача. Это вполне допустимо, так как передвижение колесных машин по сне происходит с небольшими скоростямями. Тогда систему уравнений, описывающу движение машины можно представить в виде формул:

Ш 1=1

±м'г]-Ц(ми + л^А,, +

где _ сумма продольных внешних сил, приложенных к машине;

~ сумма продольных реакций полотна пути по всем колесам движителя;

(=1 М " 2 .V

£ N - сумма вертикальных реакций полотна пути по всем колесам движителя;

Л//'"' - сумма внешних моментов, приложенных к машине;

горизонтальное расстояние от точки приложения реакций Л^ до центра масс;

Ая,. - вертикальное расстояние от точки приложения реакций Р до центра

масс.

Приведенная выше модель позволяет рассчитать реакции на колесах машины, значения которых могут быть положены в основу расчета сопротивления движению машины и тягового усилия. При оценке проходимости машин по снегу рассматривались основные составляющие внешнего сопротивления: сила сопротивления, обусловленная вертикальной деформацией снежного полотна пути; сила сопротивления от экскавационно-бульдозерных эффектов; сила сопротивления, возникающая при погружении движителя, превышающем дорожный просвет. Силу сопротивления, обусловленную вертикальной деформацией снежного полотна пути, можно вычислить прямым интегрированием :

сумма реактивных моментов полотна пуги;Д

Р/с - Ь ¡дЩс/Н

(б)

о

При использовании зависимости (2):

Р^ЬуИи- 1п—%----)

У тех ^тах /¿тах+9тах

тах

тах

(7)

При использовании зависимости (1):

(8)

Сила сопротивления от экскавационно-бульдозерных эффектов: т А/

1=1 ы-ш После интегрирования получим: при использовании зависимости (2):

Рг* = В,

■у к ах2 1п

1+-

Д/г

1 + -

уК

М

при использовании зависимости (1):

+ 7

(=1

П +

Г -(А, -ЛАГ

(Ю)

(10

где ДА высота снега, выносимого из зоны контакта в межколесную область, г! результате экскавационно-бульдозерных эффектов.

При погружении колеса в снег, превышающем дорожный просвет, возникает1

дополнительная сила сопротивления Р[лн, обусловленная взаимодействием сс; снежным покровом днища корпуса или элементов шасси. Это сопротивление складывается в основном из затрат на вертикальную деформацию снега .Р/д„ч > трения о поверхность полотна пути Р{ж тр.

Для определения составляющих Р/яи ч и Р/д„ тр необходимо знать величин) давления днища на снег или величину погружения днища /?д„ в снежный покров, т.к. они однозначно связаны зависимостью (2).

При плоском днище можно получить аналитическое решение задачи. Еслк днище машины не является плоским, т.е. со снежным покровом взаимодействуют элементы шасси, как правило, картер переднего или заднего моста, тс аналитическое решение задачи получается весьма громоздким и неоднозначным. Е этом случае целесообразно численное решение задачи.

На машинах семейства «Кержак» балка моста состоит из двух цилиндрических поверхностей - картера главной передачи и балок полуосей (рис.3).

Рис.3. Погружение движителя в снежный покров.

В этом случае для определения силы сопротивления Рщ, обусловленной взаимодействием со снежным покровом балки моста, воспользуемся методикой расчета деформации снега цилиндрической поверхностью. Полагается, что нормальные давления Ц, распределены по цилиндрической поверхности по закону косинуса, как - это принято в механике грунтов, получается:

<7, =<у, ссшр (12)

где С/о - давление в нижней точке цилиндрической поверхности; ф - полярный угол точки на поверхности, отсчитываемой от вертикали. Тогда вертикальное давление q¿ запишется так:

q = q:¡ cos: ф

Нагрузка, которую несет цилиндрический штамп, определится как поверхностный интеграл первого рода по поверхности штампа

рс!=\\яа cosida

(Т

Полагая, что давление по ширине штампа распределено равномерно, после ряда преобразований получается:

Pcl = q0bR (« + sin a cos а) (13)

D yh hRb [ R-h R-h

p _ - I arccos-+-

h,.....- h R R

1-

R-h R

(14)

Взаимодействием со снежным покровом балки моста происходит в два этапа: сначала погружается картер главной передачи Р/б/, а затем происходит погружение балок полуосей Рщ (рис.3).

Л» = Р/61+ Р/62, (15)

Полученные модели снега и взаимодействия движителя со снежным покровом позволили разработать методику расчета проходимости. В качестве входных данных используются зависимости «нагрузка - осадка», «нагрузка - сдвиг», фрикционные свойства снега, конструкционные параметры шасси: полный вес машины; вертикальные и продольные силы, приложенные к соответствующей оси колеса; горизонтальные расстояния от точки приложения реакций до центра масс машины: дорожный просвет; радиус рассматриваемого колеса; ширина и высоты профиля шины: внутреннее давление воздуха и ряд других параметров необходимых для расчета.

В третьей главе рассматриваются влияние физико-механических свойств снега на основные составляющие сил сопротивления и на проходимость машины в целом; оценка мощности двигателя и колесной формулы; влияние конструктивных параметров шасси; проведен прогноз проходимости при движении машины в условиях снежной целины. Изменение запаса силы тяги (условия проходимости машины) в зависимости от высоты снежного покрова определяется двумя процессами. С одной стороны, с увеличением высоты снега возрастает сопротивление движению, с другой при погружении движителя в снег, превышающий дорожный просвет, происходит перераспределение нагрузки с опорной поверхность движителя на днище машины или выступающие части шасси, что приводит к снижению силы тяги, реализуемой в контакте движителя с полотном пути.

Рассмотрено влияние скорости на сопротивление движению (рис.5). Зависимость сопротивления движению от скорости проявляется по-разному на различных снегах. Так при высоте снега 0,2метра с увеличением скорости от 5 до 25км/час сопротивление увеличивается с 1,8 до 2,7кН. т.е. в 1,5раза. При высоте

снега 0,4метра с ростом скорости сопротивление увеличивается с 2,3 до 3,0кН, т.е. в 1,Зраза. При высотах снега 0,6 - 0,8 метра сопротивление практически не зависит от скорости.

Приведены зависимости запаса силы тяги от высоты снежного покрова при отключенном и подключенном переднем ведущем мосте. При подключении | переднего ведущего моста значительно увеличивается запас силы тяги, и проходимость машины существенным образом возрастает.

Рис.5. График поверхности в координатах V, Н, Ру

Рассмотрено влияние межосевого расстояния на сопротивление движению и проходимость машины в целом. С увеличением межосевого расстояния экскавационно-бульдозернное сопротивление снижается. В начале при увеличении межосевого расстояния от 1,5 до 3 метров происходит существенное уменьшение сопротивления (порядка 20 - 25%), затем его падение становится незначительным (рис.6).

2.5 2

РЫ1 РЫ2 РМЗ1'5 РЫ4

0.5

0.2 0.4 0.6 0.8 1

[Г

Рис.6. Зависимость (кН) от высоты снега (м)

Рассмотрено влияние дорожного просвета на проходимость машины по снегу. С ростом высоты снежного покрова погружение движителя в снег начинает увеличиваться. При погружении движителя в снег, превышающем дорожный просвет, общее сопротивление движению возрастает и происходит перераспределение нагрузки с опорной поверхностью движителя на днище машины или выступающие части шасси. Уменьшение нагрузки на движитель приводит к

падению силы тяги, реализуемой в контакте движителя с полотном пути. При этом потеря проходимости машины наступает значительно раньше (на 25...35%), чем для машины с большим дорожным просветом.

Рис.7. График поверхности в координатах Н, р„,, Ь»

Рис.8. График поверхности в координатах Н, Р№

Известно, что одним из радикальных средств повышения проходимости колесных машин по грунтам с низкой несущей способностью, в частности по снегу, является снижение давления воздуха в шинах. При снижении давления воздуха в шинах с 125 до 25кПа погружение движителя уменьшается на 20 - 30% в зависимости от высоты снежного покрова (рис.7), существенным образом снижается сопротивление движению (рис.8)„ что приводит к росту запаса сил тяги и существенному повышению проходимости машины по снегу (рис.9).

В целом, в работе показано, что выбор при проектировании рациональных параметров шасси позволяет существенным образом повысить проходимость колесных машин при движении в условиях снежной целины.

В четвертой главе рассматриваются стендовые испытания в условиях статического нагружения шины на твердой плоской поверхности и на снежной целине; описаны приборы, оборудование и программное обеспечение для регистрации процессов взаимодействии шины низкого давления со снегом; приведены результаты статических и натурных исследования в условиях снежной целины. Показаны результаты работ но созданию семейства снегоболотоходов на шинах сверхнизкого давления.

Испытания были проведены в условиях статического нагружения шины на твердой плоской поверхности и на снежной целине на специально спроектированном стенде (рис.10).

Рис. 10.Стенд для оценки вертикальной деформации снега.

В результате проведения полевых испытаний были получены закономерности погружение колеса в зависимости от нагрузки при различных давлениях воздуха в шине). При снижении давления воздуха в шине с 70 доЗО кПа погружение колеса в снег уменьшается 108 - 300 мм до 48 - 110 мм в зависимости от нагрузки на колесо.

Для измерения контактных сил были сконструированы и изготовлены первичные датчики-преобразователи сил и нормирующие усилители к ним. Известные промышленные датчики сил не обладали требуемыми параметрами. Сверху датчики закрывались слоем резины толщиной 2 мм с целью предотвратить преждевременное разрушение их и проводов при вращении колеса с пробуксовкой. При проведении экспериментальных исследований оценивались прогиб шины /?,, радиальная жесткость шин С2. При снижении давления воздуха в шине с 70 до 20 кПа радиальный прогиб увеличивается в 1,6 - 1,8 раза в зависимости от радиальной нагрузки, соответственно уменьшается и жесткость шины. На рис. 11 приведена фотография, показывающая процесс вертикальной деформации снега.

при нагрузке 6 кН.

График поверхности в координатах р„ (давление воздуха), (тк (нагрузка на колесо), Ьг (погружение колеса) представлен на рис. 12.

Ок,

10 20 30 40 ¡0 60 70 рц,

Рис.12. График поверхности в координатах р„, в*, Ь7

С целью получения экспериментальных данных о реальном взаимодействии шины низкого давления со снегом были проведены натурные исследования в условиях снежной целины. Распределение сил в контакте зависит от нагрузки на колесо, длины контакта, внутреннего давления воздуха в шинах.

График поверхности в координатах рЛ (давление воздуха), (нагрузка на колесо), длина контакта (1,к) представлен на рис. 14.

Рис.13. Поверхность распределения контактных давлений

Ьк1, см 100

Стк, кН

10 20 30 40 50 60 70 р\У, кПа

Рис.14. График поверхности в координатах р„, Ок, Ьк

На рис. 16 показаны зависимости максимального давления движителя на опорную поверхность от внутреннего давления воздуха в шине. В зависимости от нагрузки на колесо при снижении внутреннего давления воздуха в шине с 70 до 30 кПа максимальное давление движителя на опорную поверхность уменьшается с 38 -46 кПа до 12-30 кПа.

Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований по оценке влияния физико-механических свойств снега на основные составляющие сил сопротивления, конструктивных параметров шасси и проходимости при движении машины в условиях снежной целины позволил разработать семейство снегоболотоходов на шинах сверхнизкого давления.

В семейство входят следующие модели машин: снегоболотоходы «Кержак» с колесными формулами 4x4 и 6x6, снегоболотоход «Ункор». Снегоболотоходы «Кержак» с колесной формулой 4x4 выпускаются в трёх вариантах исполнения: грузовом (рис.15); грузопассажирском; пассажирском (рис.16). Снегоболотоходы «Кержак» с колесной формулой 6x6 выпускаются в двух вариантах исполнения: грузопассажирском (рис.17) и пассажирском. Снегоболотоход «Ункор» (рис.18) выполнен на базе автомобиля УАЗ.

Для проверки расчетно-теоретических исследований были проведены экспериментальные исследования применимости шин сверхнизкого давления, для повышения проходимости колесных машин по снегу. Испытания показали, что установка шин сверхнизкого давления существенным образом повышает проходимость колесных машин по снегу.

Рис.15. Грузовой вариант «Кержак» (4x4)

Рис.16. Пассажирский вариант «Кержак» (4x4)

Рис.17. Грузопассажирский вариант «Кержак» (6x6)

Рис.18. «Ункор»

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе автором на основании экспериментальных и теоретических исследований системы «колесная машина - снежное полотно пути» осуществлено научно обоснованное техническое решение задачи, заключающейся в обосновании применения шин сверхнизкого давления для повышения проходимости колесных машин по снегу. Полученные результаты могут быть использованы при выборе и расчете рациональных параметров ходовых систем на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления на стадии проектирования.

2.Получено выражение для определения сопротивление снега сжатию (зависимость вертикальной деформации снега от нормальной нагрузки) с учетом наиболее важных параметров снежного покрова - высотой Я, начальной плотностью снега р и коэффициентом начальной жесткости у. На основе новых экспериментальных данных уточнены установленные ранее зависимости между механическими параметрами (коэффициент внутреннего трения, твердость, связность, коэффициент жесткости) и физическими параметрами снега (плотностью, влажностью, температурой). На основании полученных зависимостей возможен переход от дискретного описания свойств снега к непрерывному, позволяющему определять физико-механические свойства снега и их изменения в процессе взаимодействия движителя со снегом.

3. Выявлен характер процессов, протекающих при вертикальной деформации снега шиной сверхнизкого давления. Экспериментально получена зависимость деформации снега от величины нагрузки на колесо, внутреннего давления воздуха в шине и высоты снежного покрова. Получены зависимости радиального прогиба от нормальной нагрузки при различных давлениях воздуха в шине. При снижении давления воздуха в шине с 70 до 20 кПа радиальный прогиб увеличивается в 1,6 - 1,8 раза в зависимости от нормальной нагрузки.

В результате проведения полевых испытаний были получены закономерности погружения колеса в зависимости от нагрузки при различных давлениях воздуха в шине. При снижении давления воздуха в шине с 70 доЗО кПа погружение колеса в снег уменьшается 108 - 300 мм до 48 - 110 мм в зависимости от нагрузки на колесо. Выявлены закономерности изменения длины контакта от внутреннего давления воздуха в шине. В зависимости от нагрузки на колесо с увеличением внутреннего давления воздуха в шине длина контакта уменьшается в 1,25 - 1,5 раза. Получены зависимости максимального давления движителя на опорную поверхность от внутреннего давления воздуха в шине. В зависимости от нагрузки на колесо при снижении внутреннего давления воздуха в шине с 70 до 30 кПа максимальное давление движителя на опорную поверхность уменьшается с 38 - 46 кПа до 12-30 кПа.

4. Показано, что при расчетах нагрузочных характеристик шин сверхнизкого давления по ранее предложенным формулам можно получить достаточно большую погрешность (20-40%). На основе метода конечных элементов произведен расчет нагрузочных характеристик шин сверхнизкого давления. Анализ экспериментальных нагрузочных характеристик шин и конечно-элементной модели показал, что при случае компьютерного моделирования расхождение данных составляет 7-8%.

5. Уточненные зависимости сил сопротивления, обусловленные вертикальной деформацией снежного полотна пути и сопротивления от экскавационно-бульдозерных эффектов дают вожможность производить расчеты с учетом наиболее важных параметров снежного покрова - высоты, плотности снега, и коэффициента жесткости. Определены зависимости для определения силы сопротивления, обусловленной взаимодействием со снежным покровом днища корпуса, картер! главной передачи и балки моста. Полученные модели снега и взаимодействи! движителя со снежным покровом позволили разработать методику расчет; проходимости машин на шинах сверхнизкого давления.

6. Рассмотрено влияние физико-механических свойств снега на основньк составляющие сил сопротивления: - сила сопротивления, обусловленна; вертикальной деформацией снежного полотна пути;- сила сопротивления о-экскавационно-бульдозерных эффектов;- сила сопротивления, возникающая npi погружении движителя, превышающем дорожный просвет. В зависимости от тип! снега и высоты снежного покрова сила сопротивления, обусловленная вертикальноГ деформацией снежного полотна пути, может составлять до девяноста проценто1 суммарной силы сопротивления; сила сопротивления от экскавационно бульдозерных эффектов лежит в пределах от пяти до сорока процентов; сил! сопротивления, возникающая при погружении движителя, превышающем дорожньн просвет может достигать семидесяти процентов. Показаны закономерносп изменения силы тяги, реализуемой в контакте движителя со снежным полотнол пути. В зависимости от высоты снега падение силы тяги может достигать 70% Проведена оценка проходимости машин в зависимости от физико-механическго параметров снега (плотности, влажности, связности, начальной жесткости) Рассмотрено влияние мощности двигателя на проходимость машины по снегу Описаны закономерности изменения погружения движителя и сопротивлени; движению в зависимости от скорости движения машины по снегу. Оценено влиянш конструктивных параметров шасси - колесной формулы, дорожного просвета внутреннего давления воздуха в шине на стадии проектирования. Проведен прогно: проходимости при движении машины в условиях снежной целины.

7. Экспериментальными исследованиями, проведенными на серийныз машинах, опытных образцах и стендах установлена справедливость физически? представлений и теоретических положений, обоснованность допущений i адекватность математических моделей; сравнение результатов расчетов и испытаний проведенных в условиях снежной целины, показало удовлетворительную сходимосп результатов; среднеквадратическая ошибка расчетных и опытных данных составил! 8+16%, максимальная ошибка не превышала 24%.

8. Теоретические разработки, методики расчетов, технические предложения практические рекомендации внедрены при создании новых конструкций машин н; шинах сверхнизкого давления в ООО « СпецТех», ООО «Завод Транспорты) машин» и используются в учебном процессе на кафедре «Автомобили и тракторы) НГТУ.

Публикации с изложением основных положений диссертации.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Аникин A.A., Барахтанов JI.B., Жук В.А., Манянин С.Е. Расчет проходимосп вездеходных машин при движении по снегу ч.1 // Журнал ассоциации автомобильных инженеров 2010,- №2.-С. 28-31.

2. Аникин A.A., Барахтанов Л.В., Жук В.А., Манянин С.Е. Расчет проходимости вездеходных машин при движении по снегу ч.2 // Журнал ассоциации

автомобильных инженеров, 2010. - №3. - С. 30-31.

3. Соколов И.А., Тумасов A.B. Барахтанов Л.В., Котляренко В.И., Манянин С.Е. Моделирование пневмоколесного движителя сверхнизкого давления. // Журнал ассоциации автомобильных инженеров, 2011. - №1. - С. 22-24.

4. Барахтанов Л.В., Котляренко В.И., Манянин С.Е. Соколов И.А. Моделирование взаимодействия колесной машины с грунтом. // Журнал ассоциации автомобильных инженеров,

2011,- №2. - С. 15-16.

5. Манянин С.Е. Семейство снегоболотоходов на шинах сверхнизкого давления. // Журнал ассоциации автомобильных инженеров, 2011. - №3. - С. 9-10.

6. Барахтанов Л.В., Манянин С.Е Расчет сопротивления движения машин по снегу. // Журнал ассоциации автомобильных инженеров, 2012. - №1. - С.24 -27.

Статьи в других изданиях:

7. Барахтанов Л.В., А.Н. Блохин E.H., Денисенко E.H., Манянин С.Е. Анализ физико-механических свойств снега для оценки проходимости машин. // Журнал ассоциации автомобильных инженеров, 2012. - Xsl. -С.16 -19.

8. Аникин A.A., Балов В.В., Донато И.О., Манянин С.Е. Снегоболотоход на шинах сверхнизкого давления // Проектирование, испытания, эксплуатация транспортных машин и транспортно-технологических комплексов. Сборник материалов научно-технической конференции. Н.Новгород: НГТУ, 2005г. с. 196-198.

9. Аникин A.A., Балов В.В., Донато И.О., Манянин С.Е. Автомобиль на шинах сверхнизкого давления. // Известия академии инженерных наук им. A.M. Прохорова. Том 16, 2006, . -С.110-126.

10. Котляренко В.И., Манянин С.Е., Соколов И.А. Математическая модель колесного транспортного средства. // Труды НГТУ им.Р.Е.Алексеева, 2010. - №4.. - С. 32-34

11. Манянин С.Е. Снегоболотоходы «Кержак» и «Унгур» на шинах сверхнизкого давления. // Проблемы автотранспортного комплекса, мат. 10- всерос. науч.-тех. конф. -Екатеринбург: 2011.. - С. 12-17 .

12. Соколов И.А, Манянин С.Е., Барахтанов Л.В. Моделирование шин сверхнизкого давления. // Проблемы транспортных и технологических комплексов: Сборник научных статей 3 междунар. науч.-техн. конференции . - Н.Новгород: НГТУ, 2012. - С. 175 - 180.

13. Барахтанов Л.В.,.Донато И О., Манянин С.Е. Анализ зависимостей для определения сопротивления качению колеса от смятия снега // Проблемы транспортных п технологических комплексов: Сборник научных статей 3 междунар. науч.-техн. конференции . - Н.Новгород: НГТУ,

2012.-С. 149-153.

14. Барахтанов Л.В.,. Манянин С.Е. Сопротивление снега сжатию // Проблемы транспортных и технологических комплексов: Сборник научных статей 3 междунар. науч.-техн. конференции . - Н.Новгород: НГТУ, 2012. -С. 153 - 155.

Патенты:

15. Аникин A.A., Манянин С.Е., Балов В.В., Перепелов A.B., Смирнов С.Н. Транспортное средство высокой проходимости «Кержак» Патент на полезную модель Xü53999

16. Манянин С.Е., Аникин A.A., Балов В.В., Перепелов A.B., Смирнов С.Н. Колесо транспортного средства высокой проходимости. Патент на полезную модель Хг 60441

17. Манянин С.Е., Соколов И.А, Блинохватов A.B. Транспортное средство высокой проходимости «Кержак» Патент на полезную модель Xsl00998

18. Манянин С.Е„ Соколов И.А, Блинохватов A.B. Транспортное средство высокой

проходимости «Ункор». Патент на полезную модель Xsl 13232

у

Подписано в печать 15.11.2012. Формат 60 х 84'|6 . Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 728

Нижегородский государственный технический университет им.Р.Е.Алексеева Типография НГТУ. 603950, г.Нижний Новгород, ул. Минина, 24.