Повышение эффективности эксплуатации грузовых автомобилей в сельском хозяйстве автоматическим подтормаживанием буксующего колеса
На правах рукописи
КУЛЬПИН Эдуард Юрьевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
АВТОМАТИЧЕСКИМ ПОДТОРМАЖИВАНИЕМ
БУКСУЮЩЕГО КОЛЕСА
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Челябинск – 2012
Работа выполнена на кафедре «Безопасность жизнедеятельно сти» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Горшков Юрий Германович
Официальные оппоненты: Окунев Геннадий Андреевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка» Челябин ской государственной агроинженерной академии Вершинский Леонид Валерьевич, кандидат технических наук, директор ООО «Специализированное конструктор ское бюро дорожно-строительных ма шин»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский госу дарственный университет»
Защита состоится «23» марта 2012 г., в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челя бинская государственная агроинженерная академия» по адресу:
454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».
Автореферат разослан «21» февраля 2012 г. и размещен на офи циальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak.ed.gov.ru. и на сайте ФГБОУ ВПО ЧГАА http:/www.csaa.ru.
Ученый секретарь Возмилов диссертационного совета Александр Григорьевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Многообразие решаемых в сельском хозяйстве задач требует большого количества грузовых автомобилей различного назначения. Использование указанных автомобилей происходит в различных условиях: на поверхностях с высокой несущей способностью (автомобильные асфальтобетонные дороги, дороги со щебеночным и гравийным покрытием, сухие укатанные грунтовые дороги и др.) и с малой несущей способностью (поле, пахота, заболоченная луговина, глубокий снег и др.).
Работа грузовых автомобилей на поверхностях с малой несущей способностью зачастую приводит к нежелательным последствиям:
буксованию, колееобразованию, снижению сцепных качеств шин, нарушению курсовой и боковой устойчивости. Это в свою очередь становится причиной снижения скорости движения, производительности, качества работы грузовых автомобилей, повышенного расхода топлива и т.д.
Для повышения тягово-сцепных качеств и проходимости грузовых автомобилей на поверхностях с малой несущей способностью используются следующие основные средства противоскольжения: крупнозвенные и мелкозвенные цепи, колодки, траки, механизмы блокировки дифференциалов и др. Однако указанные средства (например, цепи, колодки, траки) могут применяться только на отдельных участках дорог, к тому же быстро изнашиваются. Самоблокирующиеся дифференциалы обладают большим внутренним трением, что значительно влияет на экономичность машины в целом.
Поиск новых, более эффективных решений, повышающих про ходимость и тягово-сцепные качества автомобилей, привел к созда нию в конце 1980-х годов различных систем, ограничивающих бук сование ведущих колёс – противобуксовочных систем (ПБС). Эти системы позволяют в определенной мере поставить под контроль тягово-сцепные и скоростные свойства машин, в частности, грузово го автомобиля и его поведение в сложных условиях движения. Ши рокое внедрение автоматической ПБС на грузовых автомобилях в сельском хозяйстве сдерживается главным образом высокой стои мостью этих систем.
Цель работы. Повышение тягово-сцепных качеств, проходимости и производительности грузовых автомобилей в сельскохозяйственном производстве за счет автоматического приложения тормозного момента к буксующему колесу.
Объект исследования. Процесс автоматического подтормаживания буксующего пневматического колесного движителя.
Предмет исследования. Закономерности взаимодействия и взаимовлияния параметров пневматического колесного движителя и несущей поверхности при функционировании автоматической противобуксовочной системы.
Научная новизна положений, выносимых на защиту. На основе уточненной математической модели динамики движения ведущего пневматического колеса обоснованы коэффициенты подтормаживания буксующего колеса для поверхностей с малой несущей способностью с учетом режимов до- и закритического буксования.
Обоснован и разработан электронный блок управления противо буксовочной системой, функционирование которого основано на определенной величине углового ускорения ведущего колеса.
Обоснованы и разработаны методика и электронный прибор по исследованию параметров буксования колесных движителей, отличающиеся от существующих методик и приборов тем, что они дают возможность исследовать буксование ведущих колес за любой промежуток времени работы колесной машины.
Практическая значимость. Основные научные результаты могут использоваться при создании и исследовании технических систем, включающих в себя элементы тормозной системы, обеспечивающей автоматическое ограничение буксования ведущих колес.
Реализация результатов исследования. На стадии проектирова ния результаты исследований могут быть использованы при обосно вании рациональных параметров системы «пневматический колесный движитель – несущая поверхность». Предложенный способ повыше ния тягово-сцепных качеств и проходимости дает разработчикам воз можность оснащать грузовые автомобили автоматическими противо буксовочными системами с целью повышения их эффективности и улучшения динамики этих машин. На стадии эксплуатации возможно обеспечение колесного парка грузовых автомобилей в предприятиях сельского хозяйства автоматической противобуксовочной системой.
Внедрение. Автоматическое противобуксовочное устройство для повышения проходимости колесных машин внедрено в ООО «КапиталСтрой», ООО «МК «ПРОМТРАНС», ООО «Промтекс», ООО «Климовское», ООО «ТрансИнвест», ООО «Никон» и в ООО «КомплектРегионСнаб». Указанные предприятия имеют сельскохозяйственное направление.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на международных научно технических конференциях ЧГАУ – ЧГАА (2000 – 2011 гг.), Курганской ГСХА (2005 – 2008 гг.), Костанайского ГУ (2003 – гг.), УФ МАДИ (ГТУ) (2006 – 2009 гг.), ЮУрГУ (2008 – 2009 гг.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 15 научных работах, из них три работы опубликованы в центральных изданиях;
получены свидетельство на полезную модель (№ 16116 от 17.09.2000 г.) и два патента РФ на полезную модель (№ 35298 от 17.09.2003 г.;
№ 37856 от 12.01.2004 г.).
Структура и объем работы. Диссертация содержит страницы машинописного текста, в том числе 58 рисунков, таблицы;
состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 122 наименования, и приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы. Сформулированы цель исследования и основные положения, выносимые на защиту, приведены научная новизна и практическая значимость результатов работы.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования»
дана краткая характеристика технологических особенностей пневматического колесного движителя. Приведены результаты анализа процесса буксования ведущего колеса, основных способов обеспечения реализации тягово-сцепных качеств грузовых автомобилей в сельском хозяйстве. Отмечено, что такой фактор, как буксование, приводит к снижению производительности, нарушению технологического процесса, увеличению расхода топлива и т.д.
Большой вклад в науку о взаимодействии пневматического колесного движителя с поверхностью качения внесли Е. А. Чудаков, С. М. Цукерберг, В. И. Кнороз, Б. И. Клочков, Б. Ф. Брюховец, Г. С.
Крестовников, А. К. Бируля, Ю. Г. Горшков, D. Williams, D. Collagen и многие другие отечественные и зарубежные исследователи.
Анализ работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных вопросам применения противобуксовочных систем, показывает, что в настоящее время эти системы недостаточно совершенны и при эксплуатации требуют специалистов высокой квалификации.
Поэтому, наряду с общим совершенствованием имеющихся противобуксовочных систем, большое практическое значение приобретает создание недорогого, упрощенного варианта автоматической противобуксовочной системы, работающей на принципе автоматического подтормаживания буксующего колеса.
Анализ соответствующей литературы и проведенных научно исследовательских работ позволяет выдвинуть следующую гипотезу: автоматическое приложение тормозного момента к буксующему колесу обеспечит повышение проходимости за счет ограничения буксования этого колеса. Для развития и подтверждения выдвинутой гипотезы определены следующие задачи исследования:
– выполнить анализ процесса движения и буксования ведущего эластичного колеса и обосновать способ повышения проходимости грузовых автомобилей автоматическим подтормаживанием бук сующего колеса;
– обосновать и исследовать параметры автоматической системы ограничения буксования ведущих колес грузового автомобиля по условиям проходимости и курсовой устойчивости;
– разработать и обосновать электронные приборы для поддер жания функционирования автоматической противобуксовочной сис темы и исследования буксования ведущих колес;
– провести экспериментальную проверку и дать оценку эффек тивности повышения тягово-сцепных качеств и проходимости гру зовых автомобилей автоматическим ограничением буксования ве дущих колес, а также технико-экономическую оценку результатов исследования.
Во второй главе «Теоретическое обоснование повышения про ходимости грузовых автомобилей в сельскохозяйственном произ водстве» приведены теоретические предпосылки исследования по решению указанной проблемы.
Предельное условие движения колесной машины можно пред ставить в виде неравенства G сц f f или, (1) Gа где f – коэффициент сопротивления качению;
– коэффициент сце пления ведущего колеса с опорной поверхностью;
– коэффициент G загрузки ведущих колес весом машины;
= cц.
Ga Левая часть неравенства характеризует машину. Для легковых автомобилей коэффициент = 0,5, для грузовых автомобилей, трак торов и комбайнов = 0,6…0,7, для полноприводных колесных ма шин = 1,0. Правая часть неравенства характеризует внешние усло вия работы колесной машины, то есть состояние дороги (влажность, скользкость, наличие колеи и др.).
В таблице 1 приведены средние значения коэффициентов сцеп ления и сопротивления качению f, а также их соотношения f/ для некоторых типов несущих поверхностей.
Таблица 1 – Значения коэффициентов f,, соотношения f/ и для автомобиля с колесной формулой 4х f/ для Тип дороги f поверхность поверхность ЗиЛ – сухая мокрая сухая мокрая Асфальт 0,02 0,7 0,6 0,028 0,03 0, Грунтовая дорога 0,03 0,6 0,3 0,05 0,1 0, Укатанная дорога на глинистом грунте 0,04 0,6 0,3 0,06 0,13 0, по горизонтальной местности Снежная дорога 0,04 0,3 0,1 0,13 0,4 0, Стерня злаковых 0,09 0,5 0,2 0,18 0,45 0, культур Слежавшаяся пахота 0,12 0,4 0,25 0,3 0,48 0, Целина глинистая 0,2 0,6 0,15 0,3 1,3 0, Сравнивая отношения Gcц/Ga и f/ (для определенного типажа машин), можно судить о возможности движения машин по данному типу несущей поверхности.
Для обоснования коэффициента подтормаживания n с учетом режимов до- и закритического буксования уточнена математическая модель динамики движения ведущего колеса, которая представлена в следующем виде:
d 1 d ;
rko dt JM k R x rk M m dt rkо Rx = Rz ;
= (/Rz) – f0 ;
0 кр ;
= max ;
= кр ;
(2) = max (1 – );
кр 1, где d/dt – угловое ускорение буксующего колеса;
– коэффициент буксования;
rk – радиус качения ведущего колеса;
rko – радиус каче ния ведомого колеса;
J – момент инерции колеса;
Mk – крутящий момент ведущего колеса;
Rx – тангенциальная реакция на ведущих колесах;
Rz – вертикальная реакция на колесе;
Mm – тормозной мо мент в тормозном механизме;
кр – критическое буксование;
– ко эффициент блокировки.
Математическую модель ограничения буксования ведущего ко леса можно представить системой дифференциальных уравнений d rko t 1 1 R z1 rko 0 t t J dt d r ko t 1 1 R z 1 r ko m t t1 t tв J dt d rko m t 1 t B R z1 rko tв1 t tв1с1, (3) J dt где m – темп изменения тормозного момента;
– темп изменения крутящего момента;
Rz1 – вертикальная реакция на колесе, имеющем меньший коэффициент сцепления;
1 – меньший коэффициент сце пления с опорной поверхностью;
в – текущее значение буксования.
Для предотвращения возникновения буксования колеса, нахо дящегося в лучших по сцеплению условиях, создаваемый в приводе буксующего колеса момент должен быть не больше, чем разность реализуемых на колесах моментов по сцеплению:
Mm Rz22rko – Rz11rko, (4) где Rz2 – вертикальная реакция на колесе, имеющем больший коэф фициент сцепления с опорной поверхностью;
2 – больший коэф фициент сцепления колеса с опорной поверхностью.
Приложение момента в тормозном механизме колеса, имеющего наименьший коэффициент сцепления с опорной поверхностью, по зволяет уменьшить буксование одного ведущего колеса и передать больший крутящий момент на то колесо, под которым более высо кий коэффициент сцепления с опорной поверхностью.
Одной из важнейших проблем при разработке новой конструк ции системы ограничения буксования является выбор коэффициента подтормаживания n (степени подтормаживания) по условиям про ходимости:
R z 22 rko R z11rko 1 1 4R z f o кn, (5) 2R z1rko f где – коэффициент тангенциальной эластичности шины.
Ограничением коэффициента подтормаживания является пол ное использование сил сцепления небуксующего колеса. Большее значение n обеспечивает повышение тягово-сцепных качеств ко лесных машин за счет перераспределения крутящего момента между колесами, однако на скользких дорогах увеличение n может при вести к заносу.
Реализация предлагаемого способа ограничения буксования ведущих колес осуществляется при условии соответствующих изменений коэффициента подтормаживания n в зависимости от параметров опорной поверхности и разницы коэффициентов сцепления под ведущими колесами (рисунки 1, 2).
Рисунок 1 – Зависимость коэф- Рисунок 2 – Зависимость коэффици фициента подтормаживания n от ента подтормаживания кn от разницы величины коэффициента сцепле- коэффициентов сцепления под ния под ведущими колесами ведущими колесами Из графика (см. рис.1) видно, что с увеличением коэффициента сцепления коэффициент подтормаживания n снижается. Это ха рактеризует адекватность математической модели.
Анализ графика (см. рис.2) показывает, что значение коэффици ента подтормаживания n становится больше с увеличением разни цы коэффициентов сцепления под ведущими колесами.
Фактором, ограничивающим величину тормозного момента, следовательно, и коэффициента подтормаживания n' ведущего ко леса, является устойчивое движение грузового автомобиля в усло виях различного сцепления ведущих колес с опорной поверхностью.
Этот коэффициент определяется по следующему выражению:
1(1 )Rz A(1C) DA2D21(1 )RzARz (2 1) 11 Rz A1C | кn.(6) 1(1) fo Rz1D Данное уравнение имеет одно положительное решение. Входя щие в выражение (5) коэффициенты А, С, D находится из уравне ний:
А = J(/rko2)d/dt;
С = B/2L;
D = (1 + C2), где С – коэффициент отношения ширины колеи к продольной базе колесной машины;
В – колея колесной машины, м;
L – продольная база колесной машины, м.
Входящие в выражение (6) вертикальные реакции на ведущих колесах могут быть найдены из известных уравнений, описывающих движение колесной машины.
Работа автоматической ПБС основана на предельном угловом ускорении буксующего колеса (пр). Важно, чтобы величина пр соответствовала оптимальным значениям кn и кn', а также исключала бы ложные срабатывания АПБС (при разгоне максимальной интен сивности, при интенсивном повороте грузового автомобиля и др.).
С учетом этих факторов предложены конструкции противобук совочных систем, работающих на принципе ограничения угловых ускорений буксующего колеса. Ускорения, возникающие при пово ротах колесной машины и разгоне максимальной интенсивности, должны оставаться за порогом чувствительности сравнителя угло вых ускорений (скоростей). Угловое ускорение ведущих колес при разгоне максимальной интенсивности может быть определено по формуле d g, (7) dt вр rk где – угловое ускорение буксующего колеса;
g – ускорение сво бодного падения;
вр – коэффициент учёта вращающихся масс авто мобиля;
rk – радиус качения колеса.
Максимальное угловое ускорение (разгон максимальной ин тенсивности) при испытаниях на автомобиле ЗиЛ-433360 составило 4,9 рад/с2.
Угловое ускорение ведущего колеса, вызываемое поворотом ко лесной машины, при постоянной скорости движения определяется из уравнения d BV n, (8) dt 2Rtrk где В – средняя ширина колеи ведущих колес;
V – линейная ско рость центра задней оси автомобиля;
R – минимальный радиус по ворота центра задней оси;
t – время поворота рулевого колеса в крайнее положение.
Угловое ускорение ведущего колеса при интенсивном повороте п, подсчитанное по формуле (8), для автомобиля ЗиЛ-433360 соста вило 1,6 рад/с2.
При буксовании, как и при отрыве ведущего колеса от дороги, максимальная величина углового ускорения, ограниченная подве денным крутящим моментом двигателя, находится по формуле 0,5G сц rk min Mi m m 1 (9) J пр J пр где im – общее передаточное число трансмиссии от двигателя до раздельно раскручивающегося колеса;
М – крутящий момент двига теля;
– коэффициент внутреннего трения в дифференциале;
min – коэффициент сцепления буксующего колеса;
Jпр – приведен ный к ведущему колесу суммарный момент инерции вращающихся частей двигателя, трансмиссии и ведущего колеса.
Значения угловых ускорений для ведущего колеса автомобиля ЗиЛ-433360 при разгоне максимальной интенсивности, интенсив ном повороте п, наезде на препятствие ', буксовании на льду и при отрыве от дороги о приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Значения угловых ускорений ведущего колеса, рад/с2, автомобиля ЗиЛ-, рад/с (при С грузом Без груза разгоне мак симальной ин- 4,7 4, тенсивности) п, рад/с (при 1,5 1, интенсивном повороте) ', рад/с (при 7 наезде на пре пятствие) Передача Передача 1 2 3 4 5 1 2 3 4, рад/с (бук сование на 115,5 53,4 35,2 - - 130,3 80,5 44,5 33,9 28, льду) о, рад/с (от- 148 93 64,5 41,6 34,6 148 93 64,5 41,6 34, рыв от дороги) Анализ найденных ускорений ведущего колеса показывает, что система подтормаживания буксующего колеса должна срабатывать тогда, когда ускорение колеса раб выше предельного значения пр, равного сумме и п (пр = + п):
раб + п. (10) Приведенные данные позволяют констатировать, что противо буксовочная система не может включиться при поворотах грузового автомобиля и разгоне максимальной интенсивности.
На основании полученных значений угловых ускорений веду щих колес по формулам (7);
(8);
(9) нами разработан прибор – элек тронный блок управления автоматическим противобуксовочным устройством для колесных машин (ЭБУАПУ) (патент № 35298), выполняющий функцию сравнителя угловых ускорений.
На рисунке 4 представлена принципиальная схема алгоритма работы этого прибора, которая состоит из таймера Т, датчиков лево го и правого колес ДЛК, ДПК, счетчиков Сч, цифро-аналоговых преобразователей ЦАП, дифференциального усилителя Диф.Ус., устройства выборки-хранения, блокиратора, компараторов и усили телей тока.
При раб пр (пр = 10… рад/с2) сигнал будет равен ну лю (Х = 0). При раб пр сигнал будет равен единице (Х = 1). При Х = 0 про тивобуксовочная система не будет срабатывать, так как нет напряжения на усилителе тока ЭБУАПУ. При Х = напряжение будет подаваться на усилитель тока левого или правого колеса и далее на со леноид клапана АПБС. В этом случае колесо начнет притормаживать, снижая или Рисунок 4 – Принципиальная схема исключая буксование. С алгоритма работы ЭБУАПУ учетом этого совокупность условий работы устройства ЭБУАПУ можно представить в виде если раб пр, X. (11) если раб пр, X Система уравнений показывает, что АПБС включается в работу только при буксовании и выключается после его ликвидации.
В третьей главе «Методика проведения экспериментальных ис следований» изложены общая и частные методики исследований, описание и работа автоматической ПБС, экспериментального авто матического прибора для исследования процесса буксования, усло вия проведения испытаний. Дорожные испытания проводились со гласно методике экспериментальной оценки результатов исследова ния, основанной на РТМ 37.001039-77. В одном из разделов главы дано описание методов оценки погрешностей измерения и точности результатов опытов.
Цель проведения экспериментальных исследований:
– оценка адекватности уточненной математической модели динамики движения ведущего колеса с учетом режимов до- и за критического буксования;
– сравнительная оценка показателей проходимости серийного автомобиля и автомобиля, оборудованного автоматической ПБС.
В качестве объекта экспериментальных исследований был выбран автомобиль ЗиЛ-433360 с универсальным рисунком протек тора шин. Автомобиль оснащался разработанным эксперименталь ным устройством, реализующим предлагаемый способ повышения тягово-сцепных качеств путем ограничения буксования ведущего ко леса за счет автоматического приложения тормозного момента.
На рисунках 5, 6 представлены принципиальные схемы устройств автоматических противобуксовочных систем, предназначенных для грузовых автомобилей с колесной формулой 4х2 с пневматическим и гидравлическим приводом тормозной системы (свидетельство на по лезную модель № 16116 РФ).
Рисунок 5 – Принципиальная схема Рисунок 6 – Принципиальная схема устройства, повышающего прохо- устройства, повышающего прохо димость грузовых автомобилей с димость грузовых автомобилей с пневматическим приводом тормо- гидравлическим приводом тормо зов: 1 – корона;
2 – датчик угловых зов: 1 – корона;
2 – датчики угло ускорений;
3 – ЭБУАПУ;
4 – дву- вых ускорений;
3 – ЭБУАПУ;
сторонний электромагнитный кла- 4 – соленоид;
5 – цилиндр ПБС;
пан ПБС;
5 – тормозная камера;
6 – гидромеханический клапан 6 – педаль ножного тормоза;
7 – тор- ПБС;
7 – тормозной цилиндр коле мозной кран;
8 – ресивер;
9 – возду- са;
8 – педаль ножного тормоза;
хопровод ПБС 9 – главный рабочий тормозной ци линдр тормозной системы Расход топлива во время проведения испытаний измерялся по средством расходомера ИП-179 согласно инструкции по его использо ванию. Датчик расходомера был установлен в топливную магистраль между фильтром грубой очистки топлива и подкачивающим насосом.
Для изучения работы дифференциалов и движителей колесных машин автором разработано устройство для мониторинга буксования ведущих колес мобильных машин (патент № 37856 РФ) (рисунок 7).
Электронный блок мони торинга буксования ведущих колес вычисляет и выдаёт как результат следующие величи ны:
- коэффициент раздельного буксования ведущих колес р;
- коэффициент совместного буксования ведущих колес с.
Блок обеспечивает доста точную точность вычислений, Рисунок 7 – Установка устройства для наглядный вывод информации, мониторинга буксования ведущих ко- позволяет задавать по желанию лес в кабине автомобиля ЗиЛ-433360: экспериментатора моменты на 1 – корпус электронного блока управ ления устройства для мониторинга чала и конца измерений.
буксования В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследова ний» приведены результаты дорожных испытаний автомобиля ЗиЛ 433360 на различных несущих поверхностях.
В качестве параметров, используемых для сравнительной оцен ки теоретических и экспериментальных данных, определены зави симость коэффициента сцепления ведущего колеса от коэффициента буксования (рисунок 8), а также изменение коэффициента буксова ния ведущего колеса автомобиля от времени буксования (рисунок 9). Выбор указанных параметров обусловлен непосредственным влиянием их значений на проходимость автомобиля. Из графиков (рисунки 8, 9) видно, что зависимости, полученные в результате мо делирования движения автомобиля, находятся в пределах довери тельного интервала и достаточно достоверно повторяют характер кривых изменения коэффициента сцепления ведущего колеса и его буксования, полученных в ходе экспериментов. Погрешность моде лирования в данном случае не превышает 5%, а в целом по осталь ным параметрам движения находится в пределах 5…8%.
Рисунок 8 – Зависимость коэффици- Рисунок 9 – Зависимость коэффици ента сцепления колеса с опорной ента буксования от времени буксо поверхностью от коэффициента вания при движении по обледенелому буксования при движении: 1 – по участку: 1 – без ограничения буксова дерну (теоретическая);
2 – по дерну ния (теоретическая);
2 – без ограни (экспериментальная);
3 – по скольз- чения буксования (эксперименталь кому участку (теоретическая);
4 – по ная);
3 – с автоматическим ограниче скользкому участку (эксперимен- нием буксования (теоретическая);
4 – тальная);
5 – по укатанному снегу с автоматическим ограничением бук (теоретическая);
6 – по укатанному сования (экспериментальная) снегу экспериментальная);
7 – по льду (теоретическая);
8 – по льду (экспериментальная) Результаты испытаний, полученные с помощью электронного блока монито ринга буксования показали, что проходимость автомобиля, оборудованного АПБС, на укатанной снежной и обледене лой дорогах в два-три раза выше, Рисунок 10 – Зависимость коэффици- чем серийного автомобиля (ри ента раздельного буксования р сунок 10). Анализ графика по от коэффициента сцепления :
1 – серийный автомобиль ЗиЛ-433360;
зволяет сделать следующее за 2 – автомобиль ЗиЛ-433360, оборудо- ключение: при наличии автома тической противобуксовочной ванный АПБС системы на автомобиле коэффи циент раздельного буксования р уменьшается с увеличением коэф фициента сцепления.
Для серийного автомобиля увеличение коэффициента раздель ного буксования составило около 42%, для автомобиля, оборудо ванного АПБС, 25%.
Результаты испытаний по определению силы тяги по сцеплению Р представлены на рисунке 11.
Из графика видно, что у авто мобиля ЗиЛ-433360, обо рудованного автоматической про тивобуксовочной системой, сила тяги по сцеплению выше в 1,5…2,0 раза по сравнению с се рийным автомобилем. Особенно это заметно при большей разнице в сцеплении ведущих колес с опорной поверхностью.
Техническую эффективность автоматического ограничения Рисунок 11 – Зависимость силы буксования ведущих колес при тяги по сцеплению Р от коэффи трогании с места и разгоне авто циента сцепления для автомо биля ЗиЛ-433360: 1 – с автомати- мобиля можно оценить по скоро стной характеристике на данном ческим ограничением буксова участке. Указанные характеристи ния;
2 – серийный ки автомобиля ЗиЛ-433360 в штатной комплектации и оснащенного устройством для автоматиче ского ограничения буксования в условиях, определенные методикой экспериментального исследования, приведены на рисунках 12, 13.
Рисунок 13 – Экспериментальные Рисунок 12 – Экспериментальные кривые скоростной характеристики кривые скоростной характеристики разгона по дерну: 1 – автомобиль разгона на обледенелом участке: 1 – ЗиЛ-433360 с автоматическим огра автомобиль ЗиЛ-433360 с автомати ничением буксования ведущих ко ческим ограничением буксования лес;
2 – серийный автомобиль ЗиЛ ведущих колес;
2 – серийный авто мобиль ЗиЛ- Проанализировав скоростные характеристики автомобиля ЗиЛ 433360, можно заключить, что использование предлагаемого уст ройства для автоматического ограничения буксования ведущих ко лес обеспечивает автомобилю с колесной формулой 4х2, оснащен ному устройством ПБС, линейные скорости разгона в 1,14 (грунт – дерн)…2,20 (для обледенелого участка) раза большие по сравнению с серийным автомобилем. Эффективность использования экспери ментального устройства возрастает с увеличением разности коэф фициентов сцепления ведущих колес.
Программой исследования были предусмотрены дорожные ис пытания по определению топливной экономичности автомобиля ЗиЛ-433360. Анализ графика (рисунок 14) позволяет сделать следующее заключение: при движении на твердом сухом покрытии с одинаковым коэффициентом сцепления (=0,6) под ведущими колесами расход топлива у серийного автомобиля и автомобиля, обо Рисунок 14 – Зависимость расхода рудованного автоматической топлива Q автомобиля ЗиЛ-433360, ПБС, примерно одинаков. При оборудованного новыми шинами с движении автомобиля по грун универсальным рисунком протек тора, от скорости движения V: 1 – товой дороге после дождя при серийный при движении по льду;
наличии автоматической ПБС 2 – оборудованный автоматической расход топлива (при скоростном ПБС при движении по льду;
3 – се- режиме 10…40 км/ч) уменьшает рийный при движении по грунто- ся на 7…9% по сравнению с се вой дороге после дождя;
4 – обору- рийным автомобилем и на дованный автоматической ПБС при 9…14% при движении по льду.
движении по грунтовой дороге по- Приведенные данные пока сле дождя;
5 – серийный при дви- зывают, что движение автомоби жении по сухому асфальту;
6 – обо ля, оборудованного автоматиче рудованный автоматической ПБС ской ПБС, по поверхностям с при движении по сухому асфальту малой несущей способностью значительно экономичней, чем автомобиля в штатной комплекта ции.
В пятой главе «Технико-экономическая оценка результатов ис следования» предлагается метод оценки тягово-сцепных качеств ав томобиля ЗиЛ-433360, оборудованного автоматической противобук совочной системой.
Для оценки тягово-сцепных свойств автомобиля ЗиЛ-433360, оборудованного автоматической противобуксовочной системой, можно воспользоваться сравнением его основных свойств с серий ным автомобилем ЗиЛ-433360.
В идеальном случае для серийного автомобиля (без учета внут реннего трения в дифференциале) подсчет тягового усилия на веду щих колесах можно осуществить по формуле Рт = Gсц min. (12) Если допустить, что одно ведущее колесо имеет коэффициент сцепления с дорогой max=0,8, а сцепление другого колеса min=0…0,8, то графическое изображение предельно реализуемого тягового усилия будет иметь вид отрезков прямых, направленных под различными углами к оси абсцисс (рисунок 15).
Из графика видно, что у автомобиля, оборудованного автоматической ПБС, реализация тягового усилия выше в 1,5…2,0 раза, чем у серийного автомобиля.
Увеличение тягового усилия автомобиля с автоматической ПБС (Р1) по отношению к серийному автомобилю (Р) можно определить по формуле Р1 min. (13) Рисунок 15 – Тяговое усилие 2 min Р автомобиля ЗиЛ-433360:
Если принять, что min = 0, 1 – полная блокировка дифференциа ла;
2 – автомобиль, оборудованный при качении ведущего колеса АПБС;
3 – серийный автомобиль автомобиля по льду покрытому водой, и mах = 0,7 при качении второго ведущего колеса по сухому асфальту, то, подставив указанные значения в уравнение (12), мож но получить четырехкратное увеличение тягового усилия автомоби ля, оборудованного автоматической ПБС, по сравнению с серийным автомобилем.
Если в оценке соотношения тягового усилия серийного автомо биля и автомобиля, оборудованного автоматической ПБС, учесть сопротивление движению автомобиля, то получим для тех же значе ний и min :
Р 1 min (14) 4... при 0 2min, 2 min Р где – общий коэффициент сопротивления движению автомобиля.
При определении соотношений в тяговых усилиях автомобиля, установленного на «якоре» на горизонтальной площадке (сопротив ление передвижению отсутствует), тяговое усилие, развиваемое на ведущих колесах, равно показанию динамометра. На графике (рису нок 16) представлена зависимость силы тяги Рт от коэффициента сцепления. Если под левым колесом = 0,2 ( = const), а под пра вым меняется от 0,1 до 0,8, то тяговое усилие на левом колесе ос тается постоянным.
Оценка тягово-сцепных качеств автомобиля ЗиЛ-433360 позволяет сделать вывод, что автомобиль, оборудованный АПБС, почти в два раза превосходит по тяговым свойствам автомобиль в штатной комплектации.
В результате дорожно хозяйственных испытаний уста новлено, что использование авто матической ПБС на автомобиле Рисунок 16 – Зависимость сум- ЗиЛ-433360 позволяет увеличить марной силы тяги Рт от коэффи- годовую выработку (грузооборот), циента сцепления автомобиля ЗиЛ-433360: 1 – полная блоки- при неудовлетворительных до ровка дифференциала;
2 – авто- рожных условиях, на 14 – 15% по мобиль, оборудованный АПБС;
сравнению с серийным автомоби 3 – серийный автомобиль 4 – тя- лем (акты внедрения). Годовой говое усилие левого колеса авто- экономический эффект составляет мобиля, оборудованного АПБС;
5 – тяговое усилие левого колеса 15870 рублей.
Экономический эффект от серийного автомобиля снижения расхода топлива при применении автоматической ПБС (на 7…14%) в реальных условиях эксплуатации на автомобиле ЗиЛ-433360 составил 17940 рублей.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ По результатам проведенных теоретических и эксперименталь ных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Обоснован и разработан способ повышения эффективности грузовых автомобилей в сельском хозяйстве автоматическим под тормаживанием буксующих колес.
2. На основе уточненной математической модели динамики движения ведущего пневматического колеса обоснованы коэффициенты подтормаживания буксующего колеса для скользких дорог и поверхностей с малой несущей способностью с учетом режимов до- и закритического буксования.
3. Разработана и испытана конструкция автоматической ПБС, позволяющая в особых условиях движения (пахота, снег, грязь, пе сок, размытые грунтовые и полевые дороги, гололед) повысить тя гово-сцепные качества и проходимость грузовых автомобилей в сельском хозяйстве в 1,5…2,0 раза, снизить расход топлива на 7…14%. В обычных и сложных дорожных условиях эта конструкция не ухудшает качества работы тормозной системы и серийного шес теренчатого дифференциала.
4. Оснащение серийного автомобиля ЗиЛ-433360 автоматиче ской ПБС обеспечивает время разгона на поверхностях с малой не сущей способностью и скользких дорогах в 1,14…2,20 раза меньше по сравнению с серийным автомобилем ЗиЛ-433360 и повышение силы тяги по сцеплению в 1,5…2,0 раза.
5. Обоснованы и разработаны методика и электронный прибор по исследованию буксования колесных движителей, отличающиеся от существующих методик и приборов тем, что они дают возможность дифференцированно определять буксование ведущих колес за любой промежуток времени работы колесной машины.
6. Обоснован и разработан электронный блок управления, с помощью которого функционирует противобуксовочная система (ПБС), автоматически включающий и выключающий ее при заданной величине углового ускорения ведущего колеса (10... рад/с2).
7. В результате дорожно-эксплуатационных испытаний уста новлено, что использование автоматической ПБС на автомобиле ЗиЛ-433360 позволяет увеличить грузооборот (при неудовлетвори тельных дорожных условиях) на 14…15% по сравнению с серийным автомобилем.
Рекомендации Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют рекомендовать следующее:
на стадии проектирования – оснащать грузовые и специальные автомобили в сельском хо зяйстве автоматическими противобуксовочными системами с целью улучшения динамики этих машин за счет снижения буксования, технологических отказов, утомляемости операторов, экологического дисбаланса и повышения производительности;
на стадии эксплуатации – обеспечивать колесный парк транспортных и специальных ав томобилей в предприятиях сельского хозяйства автоматической ПБС.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Кульпин, Э. Ю. Повышение проходимости колесных машин [Текст] / Э. Ю. Кульпин, Ю. Г. Горшков, С. Ю. Попова, А. Г. Попова // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2006. - № 3. – С. 16 18.
2. Кульпин, Э. Ю. [и др.] Образование колеи движителями колесных машин и методика оценки их проходимости [Текст] / Э. Ю. Кульпин [и др] // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2006. - № 6. – С. 24-26.
3. Кульпин, Э. Ю. Оценка тягово-сцепных свойств колесных машин [Текст] / Э. Ю. Кульпин, Ю. Г. Горшков, А. В. Богданов, Д. В. Потемкина // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2007. - № 3. – С. 11-13.
Труды, опубликованные в других изданиях 1. Кульпин, Э. Ю. Новый принцип управления регулированием тягового усилия на ведущих колесах транспортного средства [Текст] / Э. Ю. Кульпин, Ю. Г. Горшков, Г. Д. Драгунов, А. В. Келлер // Вестник ЧГАУ. – 2000. – Т.-32.– С.71-73.
2. Кульпин, Э. Ю. Способ повышения проходимости мобиль ных колесных машин сельскохозяйственного назначения [Текст] / Э. Ю. Кульпин, Ю. Г. Горшков, А. В. Келлер // Вестник ЧГАУ. – 2001. – Т. 34.– С.20-22.
3. Кульпин, Э. Ю. Особенности функционирования дифферен циалов колесных машин сельскохозяйственного назначения и оцен ка их тягово-сцепных свойств [Текст] / Э. Ю. Кульпин, Ю. Г. Горш ков // Вестник ЧГАУ. – 2001. – Т. 35.– С.77-83.
4. Кульпин, Э. Ю. [и др.] Обоснование способа повышения проходимости мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения [Текст] / Э. Ю. Кульпин [и др.] // Наука. – 2002. - № 3. – С. 24-29.
5. Кульпин, Э. Ю. Результаты исследований параметров, влияющих на КПД дифференциала мобильных колесных машин [Текст] / Э. Ю. Кульпин, Ю. Г. Горшков, И. Н. Старунова, К. В.
Глемба // Наука. – 2002. - № 4. – С. 41-45.
6. Кульпин, Э. Ю. [и др.] Повышение эффективности колесных движителей [Текст] / Э. Ю. Кульпин [и др.] // Научно исследовательский сборник «Новости науки Казахстана». – 2006. № 4. – С. 87-92.
7. Кульпин, Э. Ю. [и др.] Исследование влияния буксования мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения на снижение работоспособности операторов [Текст] / Э. Ю. Кульпин [и др.] // Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана.– 2006. - № 9. – С. 57-92.
8. Кульпин, Э. Ю. [и др.] Метод повышения проходимости ко лесных машин [Текст] / Э. Ю. Кульпин [и др.] // Сб. науч. тр. / УФ МАДИ Автомобильные дороги и организация дорожного движения.
Челябинск – 2007. – С. 81-87.
9. Кульпин, Э. Ю. Электронный блок управления автоматиче ским противобуксовочным устройством [Текст] / Э. Ю. Кульпин // Вестник ЧГАА. – 2010. – Т. 57.– С.107-111.
Авторские свидетельства, патенты 1. Свид. 16116 Российская Федерация, МПК7 В 60 Т 11/04. Уст ройство для торможения буксующего колеса [Текст] / Кульпин Э.
Ю., Келлер А. В., Горшков Ю. Г.;
заявители и патентообладатели Кульпин Э. Ю., Келлер А. В., Горшков Ю. Г. - № 20001186064;
за явл. 14.07.2000;
опубл. 10.12.2000, Бюл. № 34. – 2 с.: ил.
2. Пат. 35298 Российская Федерация, МПК7 В 60 Т 11/04. Элек тронный блок управления автоматическим противобуксовочным устройством для мобильных колесных машин [Текст] / Кульпин Э.
Ю., Белых С. А., Горшков Ю. Г. и др.;
заявитель и патентооблада тель Челябинский государственный агроинженерный университет. № 2003127606;
заявл. 17.09.2003;
опубл. 10.01.2004, Бюл. № 1. – 5 с.:
ил.
3. Пат. 37856 Российская Федерация, МПК7 G 07 C 5/08. Устрой ство для мониторинга буксования ведущих колес мобильных машин [Текст] / Кульпин Э. Ю., Бобров С. В., Горшков Ю. Г. и др.;
заяви тель и патентообладатель Челябинский государственный агроинже нерный университет. – № 2004101085;
заявл. 12.01.2004;
опубл.
10.05.2004. Бюл, № 13. – 4 с.: ил.
Кульпин Эдуард Юрьевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ АВТОМАТИЧЕСКИМ ПОДТОРМАЖИВАНИЕМ БУКСУЮЩЕГО КОЛЕСА Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Отпечатано в Челябинской государственной агроинженерной академии Подписано в печать «13» февраля 2012 г.
Формат 60х84/16. Объем 1,0 уч.-изд. л.
Тираж 100 экз. Заказ № 24.
РИО ЧГАА, 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75.
УОП ЧГАА