автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Разработка методики расчета ходимости пневматических шин землеройно-транспортных машин

Г8 ОД

4 НОЯ 19Р7

11а правах рукописи

Гудков Виктор Владимирович

УДК 629.11.012.5:531.1

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ХОДИМОСТИ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ШИН ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ

МАШИН

Специальность 05.05.04 — ДОРОЖНЫЕ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ

МАШИНЫ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОРОНЕЖ — 1997

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ — академик Академии

ОФФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ : член-корр. Академии

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ — АООТ "Брянский Арсенал".

Защита состоится "16"'декабря 1997г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета К 063.79.01 при Воронежской государственной архитектурно-строительной академии но адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84 (ВГАСА).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " 14 " ноября \ 997 г

Ученый секретарь диссертационного совета,

транспорта России, доктор технических наук, профессор Павел Иванович Никулин.

транспорта России,доктор технических наук, профессор Евгений Михайлович Кудрявцев; кандидат технических наук, доцент Владимир Исламович Гильмутдинов.

кандида

Ю.Н. СПАСИБУХОВ

Актуальность темы диссертации. Одним из основных направлений развития колесных землеройно-транспортных машин (ЗТМ) является создание машин повышенной единичной мощности и производительности. Такая тенденция может быть реализована только при применении в ходовом оборудовании крупногабаритных пневматических.шин (КГШ). В настоящее время разработаны пневматические шины различных конструкций, обеспечивающие необходимые параметры при работе ЗТМ- Однако технико-экономические показатели машин резко падают при износе протектора шин. В связи с отсутствием методики расчета ходимости пневматических шин в настоящее время не представляется возможным на стадии проектирования ЗТМ определить срок службы пневматических шин и оце-шгть потерн при замене и выбраковке шин, невыходивших ресурс, или при снятии с эксплуатации шин, имеющих износ больше критического.

В существующей литературе большое внимание уделяется в основном износу автомобильных шин и реже шин для сельскохозяйственных машин. Большие объемы земляных работ даже в настоящее время требуют применения специализированной строительной техники и, следовательно, специализированных пневматических крупногабаритных шин. Рост их стоимости, с одной стороны, и отсутствие методики определения их срока службы ведет к избыточным затратам при эксплуатации и не позволяет на стадии проектирования определить долговечность шины.

Исследования' выполнены согласно межвузовской научно-технической программе "Архитектура и строительство".

Целью работы является разработка методики определения ходимости пневматических шин ЗТМ, учитывающей явления, проис-

ходящие в области контакта шин и опорной поверхности, и режимы качения колесного движителя.

Объект исследования. В работе исследуется взаимодействие двухосного колесного движителя с блокированным приводом, снабженного пневматическими шинами 20,5 - 25 мод. Ф-92, с горизонтальной деформирующейся опорной поверхностью при движении по дуге окружности. ■

Научная новизна. Уточнена модель взаимодействия пневматических шин двухосного движителя с деформирующейся опорной поверхностью, учитывающая законы деформации шин и грунта. Разработана методика определения износа и ходимости пневматических шин ЗТМ, учитывающая явления, происходящие в области контакта шин и опорной поверхности, и режимы- качения колесного движителя по криволинейной траектории. Получены новые теоретические зависимости, характеризующие изменение износа и ходимости пневматических шин ЗТМ, обусловленные скольжением шин в области контакта.

Практическая ценность работы заключается в разработке инженерной методики расчета ходимости пневматических шин ЗТМ при . криволинейном движении. Создан комплекс программ для ЭВМ, реализующий указанную методику. Разработана система, датчиков для проведения износных испытаний пневматических шин. Получены экспериментальные зависимости, характеризующие износ шин двухосного движителя при криволинейном движении при различных значениях радиуса поворота и внутреннего давления воздуха в шинах. Экономический эффект от применения стенда составил 851476 тыс. р.

Реализация работы. Разработанная методика внедрена в НИИ КГШ г. Днепропетровска путем организации и проведения ускорен-

ных испытаний шин ассортимента института, что позволяет прогнозировать их ходимость на стадии опытных образцов. Методика внедрена в конструкторском бюро А/О "Воронежшина" путем применения на стадии проектирования и производства для оценки ходимости пневматических шин ЗТМ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Научно-технических конференциях ВГАСА 1991 - 1997 гг.

2. Заседании секции ученого совета НИИ КГШ, Днепропетровск, 1992 г. •

3. Республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности землеройных машин" Воронеж, 1992 г.

4. Пятом симпозиуме "Проблемы шин и резинокордных компози- ' топ. Качество - конструирование и технология" НИИ ШП. М.,

• 1993 г.

5. Международной научно-технической конференции "Повышение эффективности проектирования, испытании и эксплуатации движителей автомобилей, вездеходных, специальных строительных и дорожных машин", Н. Новгород, 1994 г.

6. Заседании технического отдела объединения "Воронежшина". Воронеж 1995 г.

7. Заседании кафедры строительных и дорожных машин Воронежской государственной архитектурно-строительной академии, 1997г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах, и получено положительное решение о выдаче авторского свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованией литературы из 132 на-

именований и 2 приложений. Диссертация содержит'122 страницы машинописного текста, 72 иллюстрации и 9 таблиц.

На защиту выносится: Физическая и математическая модель взаимодействия колесного движителя ЗТМ с деформирующейся опорной поверхностью, результаты теоретических исследований взаимодействия колесного движителя с деформирующейся опорной поверхностью при криволинейном движении, методика расчета износа и ходимости пневматических крупногабаритных шин ЗТМ, результаты экспериментальных исследований двухосного движителя с блокированным приводом на стенде и автофейдерах при криволинейном движении.

Содержание работы

Во*введении обосновывается актуальность темы, указывается цель и задачи исследований, сформированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса и задачи исследований" рассматриваются и анализируются научные работы по взаимодействию колесного движителя с опорной поверхностью.

Среди отечественных ученых большое внимание этой пробле-• ме уделяли Е.А. Чудаков, В.П. Горячкин, М.Н. Летошнев, A.C. Антонов, А.К. Бируля, В.Ф. Бабков, Г.В. Зимелев, Я.С. Агсйкин, АЛО. Ишлинский, H.A. Ульянов, П.И. Никулин, В.И. Кнороз, В.М. Бидер-ман, Р.В. Вирабов, В.В. Гуськов, А.Ф. Полетаев, A.C. Литвинов, Я.Е. Фаробин, Ю.А. Брянский и другие.

Из работ зарубежных ученых можно выделить исследования Г. Фазекаша, М. Беккера, М. Леру, Д. Мура, Л. Сигэла.

Показано, что скольжение пневматических шин в значительной степени связано с износом. Исследованиями в данном направлении занимались Третьяков О.Б., Хромов Н.К., Климов Ю.И., Барте-

нев Г.М., Антипов В.Н., Лаптев В.Н., Зелешш Ю.В. и другие. Среди работ зарубежных ученых следует выделить работы Бормана А., Мура Д.Ф., Джонсона К.

Проанализировав указанные работы, необходимо отметить, что выводы различных авторов имеют расхождения, обусловленные исследованиями только автомобильных шин в условиях стендовых испытании. Исследования, проводимые па машинах, также касались только автомобильных шин и ограничивались влиянием внешних факторов на износ шин. Поэтому для получения достоверных данных о влиянии скольжения крупногабаритных пневматических шин землеройно-транспортных машин на износ резины протектора следует проводить испытания только с шинами соответствующего назначения в условиях, близких к реальным режимам работы крупногабаритных пневматических шин, и на реальной технике.

Для решения этой задачи необходимо:

1. Разработать математическую модель взаимодействия двухосного колесного движителя с деформирующейся опорной поверхностью при движении по криволинейной траектории.

2. Получить теоретические зависимости кииематнки качения и скольжения пневматических шин двухосного движителя по деформирующейся опорной поверхности.

3. Разработав, методику определения износа и ходимости крупногабаритных пневматических шин ЗТМ при криволинейном движении колесного движителя.

4. Провести модернизацию системы датчиков для экспериментальных исследований криволинейного движения и износа резины

\

протектора КГШ двухосного движителя.

5. Установить экспериментальные зависимое™, характеризующие работу двухосного движителя с блокированным приводом н авто-

фейдеров н износ резины протектора КГШ при движении по дуге окружности.

Во второй главе "Исследование кинематики качения колесного движителя с блокированным приводом по дуге окружности" для предложенной модели взаимодействия (рис. 1) приняты следующие допущения: *

Пневматические шины колесного движителя имеют область контакта, описываемую в вертикальной плоскости эллиптическими кривыми, и деформируются только в радиальном направлении. Окружную (тангенциальную) и боковую деформации пневматических шин не учитываем. Это обусловлено большим радиусом кривизны беговой дорожки крупногабаритных шин и незначительным влиянием боковой и окружной деформаций на площадь контакта шин' с опорной поверхностью. Допускаем, что двухосный движитель катится по горизонтальной поверхности с постоянной угловой скоростью вращения колес. Обозначим радиус недеформированиого профиля передней н задней шин (где / = 1 для переднего по ходу движения колеса, а »= 2 для заднего).

После проезда переднего колеса по грушу с модулем деформации Е, грунт уплотняется, модуль его деформации увеличивается и становится равным Ег.

Зависимости нормальных контактных напряжений рт вертикальной деформации грунта в типичных грунтовых условиях приняты в виде

<т, = сигп - в зонах загрузки;

а1 ~ сл2п - в зонах разгрузки; (1)

где <т, - нормальное контактное напряжение; гп - вертикальная деформация грунта;

\Оп

рис.1 Кинематики влшмилсйствня пневматических шин двухосного движителя с деформируемо» опорной поверхностью.

12-;

с,;, с21 - коэффициенты полной и упругой деформаций фунта, соответственно.

I - для передней шины -для задней шины.

Закон деформации принят в следующем виде а) ~ К2ш I 'в зонах загрузки,

сг, = кь2Ш1 - Х{ки -кг) - в зонах разгрузки, (2)

где гШ1 - вертикальная деформация шин; к к *

ли>я21 . коэффициенты деформации шин соответственно при • сжатии и восстановлении недеформируемого профиля; Л • нормальные деформации шин.

Так как грунт после проезда первого колеса уплотняется, то принято допущение, что коэффициент полной деформации грунта с12 равен коэффициенту упругой деформации с21. Формы поверхностей контакта шин с опорной поверхностью, полученные А.М.Полоновым, описываются эллиптическими кривыми в соответствии с выражением

ъ-Ло,У2) -(я+С-ОЧ)1 .

г,=-1-гг&-+Д,,

(3)

где г01 - радиус недеформированного профиля /- ой шины; - половина межцентрового расстояния;

^ (4)

С учетом принятой формы поверхностей контакта из кинематики ВЗМЩОЯбЙЩИИИВЦ«! И1МЧ8СКИХ шин с грунтом (рис. 1) полу-

чены формулы для определения пути проскальзывания элемента протектора в области контакта

а

л/?2 г, - г( Г лг+х2 гХъ+у) т,

У ЯДЛТУ+г2) ТЧ'ЛД

/ г1хРв п-г, А;

(5)

где

(6)

А=я(г/-г0(+Л/<?(2-/2;

рб - радиус кривизны протектора шин в плоскости 20У. • Сила тяги, развиваемая двухосным колесным движителем, определяется согласно формуле

/ \

2 ИГЧ«ь

2Ь\

Иы- .И-М

сЬс

(1)

протектора по

где • коэффициент трения < труту.

Коэффициент проскальзывания центральной опорной точки 00 определяется кз условия Т^ =0.

Анализ теоретических зависимостей коэффициента проскальзывания центральной опорной точки выполненных для двухосного движителя с шинами 20.5-25 мод. Ф-92 при изменении радиуса

поворота R0 и внутреннего давления воздуха и шинах ры показывает, что при уменьшении 7fu и ра происходи г увеличение коэффициента проскальзывания центральной опорной точки О0 (рис. 2). Гак при качении двухосного движителя по деформирующейся поверхности и уменьшении радиуса поворота от R0 = 6м до /¿и = 2м происходит увеличение ва на 15 + 25% в зависимости от внутреннего давления воздуха в шинах рш. При этом наблюдается более резкий подъем ва на радиусах менее 3.5м для рш =0.6 МПа.

Подобная зависимость сохраняется и при качении двухосного движителя по недеформирующейся опорной поверхности (рис. 3). Так при уменьшении радиуса поворота с 6м до 2м коэффициент проскальзывания центральной опорной точки увеличивается в зависимости от внутреннего давления воздуха в шине рш на 20 ь ЗО/и, но в отличии ;от деформирующейся поверхности для давления ра = 0.6 МПа происходит более резкое увеличение коэффициента проскальзывания центральной опорной точки 0(1 и это увеличение наблюдается при /?<, £ Зм.

'Аналйз теоретических исследований проводился с использованием персонального компьютера IBM-PC.

В третьей главе "Методика и аппаратура экспериментальных исследований" изложена программа экспериментальных исследований, методика их выполнения и математическая теория планирования. ,

В соответствии с общей целью работы и проведенными теоретическими разработками в процессе экспериментальных исследований необходимо было решить следующие задачи: определить параметры, характеризующие фунтовую опорную поверхность

'о

1.5

1.3

1.1

0.9

4 ^

3 1Г< .ДГ"*

м

р!:с. 2 Зависимость ееякчнпы коэффициента проскальзывания центрально« опорной точки колеса двухосного движителя от радиуса поворота при качении по деформирующейся опорной поверхности. 1,2-0,6 МПа 1,3,5-первое колесо

3,4-0,4 МПа 2,4,6-второе колесо

5,6-0,2 МПа

1,5 1,3 1,1

0,9

б

5 3 \

2А 1 У

1 2-3 4 5 6 До рис.3 Зависимость величины коэффициента просюииыватм центральной спорной точки колеса двухосного движителя от радиуса тво-. рота при качеит по «деформирующейся опорной поверхности. 1Д-0,6 МШ 1Д5-первое колесе

3,4-0,4 МШ 2Д6-второе колесо

5^-ОД МПа

(плотность, влажность, физико-механические свойства грунта); провести планирование эксперимента при исследовании влияния внутреннего давления воздуха в шинах и радиуса поворота двухосного колесного движителя на величину износа резины протектора шин;выполнить экспериментальные исследования работы двухосного колесного движителя с пневматическими шинами на наиболее типичных поверхностях работы ЗТМ; установить влияние внутреннего давления воздуха в шинах и радиуса поворота колесного движителя на износ резины протектора шин. Объектом экспериментальных исследований выбраны шины размером 20.5-25 мод. Ф-92 и 18.00-25Р, предназначенные для применения в'ходовом оборудовании ЗТМ-

В настоящей работе применялся стендовый и полевой методы

V.

проведения экспериментальных исследований.

При выполнении экспериментальных исследований на стенде с криволинейным движением двухосного колесного движителя использовалась система датчиков, позволяющая измерять и фиксировать необходимое количество одновременно протекающих процессов, характеризующих работу колесного движителя и износ резины протектора: износ элементов протектора .//весовым способом; крутящий момент Л/,; силу тяги Т\ нормальную X,, боковую кш, тангенциальную <5„ деформации шин; нормальные контактные напряжения в опорной поверхности; путь продольного и бокового ¿6

проскальзывания элемента протектора в области контакта; число кругов стенда п/, число оборотов колеса пвремя опыта г,. Сигналы с датчиков фиксировались на ленте магнито-электрического ос-циллофафа К20-22. .

Стендовые исследования производились при движении колеса по цементобетонной поверхности и. плотному суглинку влажностью 12-18% ( III категории) при изменении радиуса поворота двухосного колесного движителя от 1,65 до 6,15 м. и давлении воздуха в шине от 0,2 до 0,6 МПа.

При проведении полевых испытаний в качестве объекта исследования использовались автогрейдеры 3TM-1-43 м ДЗ-98В1.

. Полевые испытания проводились на свежесрезанном суглинке влажностью 14-16% (III категории).

В четвертой главе "Результаты экспериментальных исследований" предъявлены результаты и анализ экспериментальных исследований. Получены жесткостные характеристики исследованных' КГШ. Распределения величины радиальной, боковой и тангенциальной деформации шин при разном значении величины радиуса поворота шин и внутреннего давления воздуха в шинах. Построен деформированный профиль шин 20.5-25 мод. Ф-92 в центральной продольной плоскости вращения колес двухосного движителя с блокированным приводом на разных опорных поверхностях. Представлена зависимость величины пути продольного проскальзывания элементов протектора шин 20.5-25 мод. Ф-92 при разной величине коэффициента проскальзывания центральной опорной точки вд.

Распределение относительной величины износа резины протектора по экваториальным сечениям шин двухосного движителя с блокированным приводом позволяет провести анализ износа по области контакта при разных значениях внутреннего давления воздуха • в шинах и радиуса поворота двухосного колёсного движителя. Представленные зависимости абсолютной величины износа резины протектора шин двухосного движителя с блокированным приводом позволяют сделать вывод о резком уменьшении величины износа ре-

зинь; протектора шин при внутреннем давлении воздуха в шинах, равном 0,4 МПа.

В пятой главе "Практическое применение результатов исследований" представлена методика определения износа и ходимости пневматических шин ЗТМ, позволяющая определить износ и пробег КГШ ЗТМ на стадии проектирования машин по результатам стендовых испытаний опытных или серийных образцов шин.

Проведено сопоставление (рис. 4) результатов теоретических и экспериментальных исследований. Расхождение .теоретических и экспериментальных данных составляет не более 12%. Экономическая эффективность от применения стенда для износных испытаний КГШ составляет 851478 тыс. р. (в ценах на июль 1997 г.).

Основные выводы

1. Разработана математическая модель взаимодействия двухосного колесного движителя с опорной поверхностью при криволинейном движении, учитывающая закон деформации пневматических шин, закон деформации опорной поверхности и изменение модуля деформации грунта после проезда передних колес движителя.

2. Разработана методика определения износа и ходимости пневматических шин двухосного движителя с блокированным приводом при движении по дуге окружности, позволяющая анализировать влияние радиуса поворота на износ пневматических шин..

3. Методом математического планирования эксперимента получены-уравнения регрессии, отражающие зависимость износа, протектора шин двухосного колесного движителя с блокированным приводом от радиуса поворота и давления воздуха в шинах.

4. Установлено, что при уменьшении радиуса поворота двухосного движителя с Ко 6,15 м. до 1,65 м. нормальная деформация переднего колеса движителя растет на грунте и цементобетоне в 1,3 раза, а заднего - на грунте - в 1,83 раза, на цементобетоне - в 2,33 раза, что связано с перераспределением вертикальной нагрузки на заднее колесо движителя.

рис. 4 Зависимость величины пробега шин 20.5-25 мод. Ф-92 двухосного движителя от радиуса поворота Ко.

1,2,3,4 ЛД- Рсо ,= Ро)2= 0,4 МПа. 1,2,5,6 - первое колесо 5,6,7,8 о О - Рсо = РЮ2= 0,6 МПа 3,4,7,8 - второе колесо а) - цементобетон б) - груш- \У=15-20% С=16-20 уд.

5. Установлено, что при изменении радиуса поворота двухосного движителя с 6,15 м. до 1,65 м, при качении по цементобстонной поверхности, происходит увеличение величины износа протектора шин для первого колеса в 58 раз при давлении воздуха в шине 0,6 МПа, в 7,5 раз при 0,4 МПа и в 22 раза при ОД МПа. Для второго колеса величина износа изменяется соответственно в 46 раз, в 12 и в 40 раз. При качении .двухосного движителя по грунтовой опорной поверхности и при уменьшении радиуса поворота с 6,15 м. до 1,65 м, величина износа резины протектора шин для первого колеса увеличивается в 26 раз при давлении воздуха в шине 0,6 МПа, в 9,8 раза при 0,4 МПа и в 18 раз при 0,2 МПа. Для второго колеса величина износа увеличивается соответственно в 35 раз, в 12 раз и в 32 раза. Полученные данные говорят о наличии ярко выраженного минимума значения величины износа при давлении воздуха в шинах 0,4 МПа.

6. Сравнение результатов экспериментальных исследований с результатами расчетов на ЭВМ показывает нх совпадение с достаточной для инженерных расчетов точностью. Изменение радиуса поворота колесного движителя с 6,15 м. до 1,65 м. приводит к увеличению величины износа резины протектора шин, при этом несовпадение данных полученных экспериментальными исследованиями и теоретическими расчетами не превышает 12% для первого колеса и 15% для второго колеса двухосного движителя при = ри2 - 0,4 МПа.

7. Экономический эффект -от проведенных стендовых исследований двухосного движителя крупногабаритными пневматическими шинами составил 851478 тыс. р. *

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: •

1. Никулин П.И., Гудков В.В. Результаты испытаний крупногабаритных шин размеров 20.5-25 на износ //Материалы научно-технической конференции, посвященной 60-летию ВИСИ: Тезисы докл. - Воронеж, 1991. - С.112 - 113.

2. Никулин П.И., Гудков В.В. Кинематика качения двухосного движителя с блокированным приводом по дуге окружности. //Повышение эффективности землеройных машин: Тезисы докл. -Воронеж, 1992. - С.26 - 27.

3. Никулин П.И., Спасибухов Ю.Н., Гудков В.В. О влиянии радиуса поворота двухосного движителя на износ пневматических шин. //Проблемы шин и резинокордных композитов. Качество - конструирование и технология: Тезисы докл. - М., 1993. - С. 149 -154.

4. Никулин П.И., Гудков В.В. Результаты испытаний крупногабаритных шин 20.5 - 25 на износ на разных опорных поверхностях. //Повышение эффективности проектирования, испытаний и эксплуатации двигателей, автомобилей, вездеходных, специальных строительных и дорожных машин: Тезисы докл. - Нижний Новгород, 1994. -С.45.

5. Никулин П.И., Гудков В.В. Определение ходимости пневматических шин ЗТМ //Материалы 47-ой научно-технической конференции: - Воронеж, 1994. - С.82 - 83.

6. Никулин П.П., Гудков В.В. Кинематика качения двухосного движителя с блокированным приводом //Материалы 47-ой научно-технической конференции: - Воронеж, 1994. - С.83 - 85.

7. Никулин П.И., Гудков В.В. Методика расчета ходимости пневматических шин ЗТМ //Проблемы повышения эффективности землеройных машин: Тезисы докл. - Воронеж, 1994. - С.39 - 40.

8. Никулин П.И., Гудков В.В. Методика расчета износа и ходимости пневматических шин ЗТМ //Исследование строительных и дорожных машин: Тезисы докл. - Воронеж 1996. - С.52 - 54.

Получено положительное решение о выдаче авторского свидетельства. Устройство для измерения деформации грунтозацепов пневма

тической шины. П.И. Никулин, Ю.М. Пурусов, В.В. Гудков, В.П.

Иванов, 1993.