Математическое обоснование способов увеличения интервалов между восстановлениями нормативного давления в шинах атс
На правах рукописи
Муртузов Муртуз Магомедович МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ УВЕЛИЧЕНИЯ ИНТЕРВАЛОВ МЕЖДУ ВОССТАНОВЛЕНИЯМИ НОРМАТИВНОГО ДАВЛЕНИЯ В ШИНАХ АТС 05.22.10 – «Эксплуатация автомобильного транспорта»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Волгоград - 2012
Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис» Махачкалинского филиала Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) Научный руководитель доктор технических наук, профессор Рябов Игорь Михайлович.
Официальные оппоненты: Гребенников Александр Сергеевич, доктор технических наук, доцент, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А, кафедра «Автомобили и автомобильное хо зяйство», профессор;
Клементьев Сергей Вениаминович, кандидат технических наук, доцент, ООО «ОРВИЛ», коммерческий директор.
Ведущая организация Пензенский государственный университет архитектуры и строительства.
Защита состоится «15» февраля 2013 г. в 12 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект Ленина, 28.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государствен ного технического университета.
Автореферат разослан « 15 » января 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Ожогин Виктор Александрович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы: Проведенные в РФ и за рубежом исследования показали, что более половины всех эксплуатируемых автомобилей имеют пониженное давление в шинах. Это связано, в частности, с тем, что период времени, в течение которого давление в шине становится ниже нормативного, мал, и его следует увеличить.
Ущерб, приносимый народному хозяйству страны при эксплуатации автомобилей с пониженным давлением в шинах, огромен, поскольку при этом ухудшаются такие важные их эксплуатационные свойства АТС как топливная экономичность, экологич ность, управляемость и устойчивость, тормозные свойства, безопасность, что приво дит к увеличению затрат на эксплуатацию особенно в сложных горных условиях.
В литературе приводятся различные рекомендации по интервалам периодично сти восстановления нормативного давления в шинах при заправке их сжатым воздухом:
через 7 суток, 10-15 суток и даже 30 суток, однако научное обоснование этих рекомен даций с учетом свойств шин, а также методика определения газопроницаемости шин отсутствуют.
В шиномонтажных сервисах предлагают новую заправку шин инертным газом – техническим азотом, беря за это плату практически на порядок большую, чем при заправке шин сжатым воздухом, однако научного обоснования преимуществ и недос татков такой заправки также нет.
В связи с этим, математическое моделирование процессов в шине, для обосно вания существующих и разработки и новых способов обслуживания шин, увеличи вающих интервалы между восстановлениями нормативного давления и снижающих затраты на эксплуатацию, является актуальной задачей.
Цель работы: обоснование способов увеличения интервалов между восстанов лениями нормативного давления, на основе математического моделирования измене ния давления воздуха и концентрации кислорода в шине вследствие газопроницаемо сти ее материалов.
Научная новизна.
С помощью разработанных математических моделей изменения давления воздуха и концентрации кислорода в шине вследствие газопроницаемости ее материалов (в которых воздух рассматривается как смесь газов) установлены:
– закономерности изменения давления в шине с течением времени с учетом за правки ее воздухом, чистым азотом и техническим азотом;
– закономерность, позволяющая определить интервал до первого восстановления нормативного давления в шине, при котором обеспечивается минимальная концен трация кислорода в шине при ее заправке воздухом;
– зависимости изменения концентрации кислорода в шине от времени, анализ ко торых показывает, что шина, заправленная и подкачиваемая воздухом через опреде ленный период, практически полностью освобождается от кислорода.
Практическая ценность.
1. Разработанные математические модели процессов изменения давления воздуха и концентрации кислорода позволяют прогнозировать, и обоснованно назначать ин тервалы периодичности восстановления нормативного давления с учетом газопрони цаемости шин, которая определяется по разработанной методике.
2. Установлено, что при применении воздуха для заправки и подкачки шин интер валы между восстановлениями нормативного давления увеличиваются, т.к. коэффи циент газопроницаемости воздуха (смеси газов) с течением времени уменьшается и через определенный период становится практически равным коэффициенту газопро ницаемости азота.
Автор выражает глубокую признательность к.т.н., доценту Чернышову К.В. за оказанную помощь при анализе и обсуждении полученных результатов 3. Обосновано, что применение известного способа увеличения интервалов между восстановлениями нормативного давления в шинах, основанного на использовании технического азота, нецелесообразно из-за высокой цены и меньшей доступности азо та, чем воздуха. Установлено, что заправка в шину технического азота не избавляет шину от кислорода, а лишь уменьшает его относительное количество примерно в 2, раза.
4. Предложен и обоснован способ увеличения интервалов между восстановления ми нормативного давления в шинах, состоящий в том, что первую заправку шин осу ществляют азотом, а последующие подкачки шин – воздухом, который позволяет уве личить период между восстановлениями давления на начальном этапе эксплуатации шин на 25 % и сократить затраты на обслуживание шин.
5. Обоснован способ увеличения интервалов между восстановлениями норматив ного давления в шинах, учитывающий сезонность их эксплуатации и состоящий в том, что шина заправляется воздухом и хранится в течение некоторого периода (сезона), и последующие восстановления давления в ней также осуществляются путем подкачки воздуха, который позволяет обойтись без использования технического азота.
6. Обоснован способ увеличения интервалов между восстановлениями норматив ного давления в шинах за счет повышения давления заправки до верхней границы нормы или несколько выше, который позволяет в 2 – 3 раза увеличить период восста новления давления и существенно уменьшить вероятность эксплуатации шин с пони женным давлением.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
1) математические модели процессов изменения давления воздуха и концен трации кислорода в шине вследствие газопроницаемости ее материалов, в которых воздух рассматривается как смесь газов;
2) установленные закономерности изменения концентрации кислорода в шине в процессе ее эксплуатации и изменения интервалов между достижениями ниж ней границы нормы давления;
3) предложенные и обоснованные способы увеличения интервалов между восстановлениями нормативного давления в шинах, позволяющие сократить затраты на обслуживание шин и эксплуатацию автомобилей;
4) методика и результаты экспериментальных исследований газопроницае мости шин и изменения интервалов между достижениями нижней границы нормы давления;
5) оценка дополнительного расхода топлива, вызванного ненормативным давлением в шинах АТС, основанная на данных по распределению давления в шинах.
Достоверность и обоснованность научных положений работы обеспечена ис пользованием фундаментальных законов и зависимостей, применением современной вы числительной техники, точных контрольных устройств, согласованием полученных теоре тических и экспериментальных результатов исследований.
Объекты и методы исследований.
Объектом исследования являлись процессы изменения давления воздуха и концентрации кислорода в шине вследствие газопроницаемости ее материалов.
При решении поставленных задач использовались теоретические и теоретико эмпирические методы исследования использованием программируемой цифро вой вычислительной техники.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобре ние на научно-технических конференциях Волгоградского государственного техниче ского университета (2009 – 2012 г.), на международной конференции «Прогресс транспортных средств и систем – 2009 г.», на ХIII международной отраслевой научно практической конференции «Россия периода реформ» 20 – 22 мая 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них входят в перечень изданий, рекомендуемых ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 раздела, ос новных результатов и выводов, списка использованной литературы. Содержит страниц машинописного текста, 39 рисунков и 8 таблиц. Список использованной ли тературы включает 127 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, практическая ценность работы, личный вклад автора, а также в реферативной форме приводится общая характеристика работы.
В первом разделе рассмотрены способы и средства поддержания нормативно го давления в шинах и анализ его влияния на эксплуатационные свойства шин и авто мобилей при эксплуатации с учетом горных условий. На основании выполненного об зора литературы для реализации цели в работе были поставлены следующие задачи:
1) разработать математическую модель процесса утечки воздуха из шины вследст вие газопроницаемости ее материалов, в которой воздух рассматривается как смесь газов;
2) выявить закономерности изменения концентрации кислорода в шине и измене ния интервалов между достижениями нижней границы нормы давления;
3) обосновать способы увеличения интервалов между восстановлениями норма тивного давления в шинах АТС;
4) провести экспериментальную проверку сходимости расчетных и эксперимен тальных данных и оценку дополнительного расхода топлива, вызванного ненорма тивным (пониженным) давлением в шинах АТС.
Второй раздел диссертации посвящен разработке математической модели про цесса утечки воздуха из шины вследствие газопроницаемости ее материалов, в кото рой воздух рассматривается как смесь газов.
Введено понятие «показатель проницаемости газа через данный материал »:
= kR, (1) где k называется коэффициентом газопроницаемости и измеряется в секундах, R – газовая постоянная диффундирующего газа (Дж/кг·К).
В этом случае математическая модель изменения давления в процессе газопро ницаемости любого отдельного газа из шины объемом V (м3), площадью S (м2), тол щиной герметизирующего слоя (м), при абсолютной температуре T, начальном дав лении газа p0, за время t (с) примет вид:
ST t p (t ) = p0 e V. (2) При математическом моделировании процесса изменения давления воздуха в шине вследствие ее газопроницаемости необходимо учитывать, что воздух представ ляет собой смесь газов, которая содержит примерно 78% азота, 21% кислорода и 1% прочих газов.
Используя формулу (2), можно получить математическую модель процесса проницаемости через шину воздуха, представляющего смесь газов.
Парциальное давление каждого из газов, находящихся в шине, пропорциональ но его доле i 0 в общем объеме смеси. Следовательно, начальное парциальное давле ние каждого i-го газа:
pi 0 = i 0 pш 0, (3) где pш 0 – начальное давление смеси газов в шине.
Парциальное давление i-го газа изменяется с течением времени по зависимости:
i ST t pi (t ) = pi 0 e V, (4) где i – показатель проницаемости i-го газа.
Давление воздуха (смеси газов) в шине также изменяется со временем по зави симости:
ш ST t p ш (t ) = p ш 0 e V, (5) где ш – показатель проницаемости смеси газов в шине.
Давление смеси газов в шине в любой момент времени равно сумме парциаль ных давлений этих газов:
k pш (t ) = pi (t ). (6) i = Тогда, используя в формуле (6) формулы (4) и (3), получим:
ST ST k ш t i t = pi 0 e V V pш 0 e. (7) i = С учетом формулы (3) получим i ST ш ST k t t = i 0 pш 0 e V V pш 0 e, (8) i = i ST ш ST k t t = i 0 e V V e откуда. (9) i = Из последней формулы можно выразить показатель проницаемости газовой смеси:
ST k t i ln i 0 e V i =1.
ш = (10) ST t V Из формулы (10) следует, что показатель проницаемости газовой смеси в шине (в отличие от показателя проницаемости отдельного газа) в процессе проницаемости меняется и является функцией времени: ш = ш (t ).
Подставив формулу (10) для показателя проницаемости газовой смеси в фор мулу (5), получим математическую модель изменения давления в шине в процессе проницаемости из нее смеси газов:
ш ( t ) ST i ST k t t pш (t ) = pш 0 e = p ш 0 i 0 e V V. (11) i = Эта формула описывает процесс проницаемости воздуха из шины при условии, что она не нагружена вертикальной нагрузкой, то есть объем шины не меняется с те чением времени, и давление в шине зависит только от утечки газа.
Для упрощения модели сделаем допущение, что в закачиваемом в шину возду хе находится только два газа: азот (79%) и кислород (21%). Такое допущение практи чески не повлияет на точность модели, так как доля неучитываемых газов по сравне нию с долями азота и кислорода ничтожно мала. Поскольку время заправки воздуха в шину мало по сравнению со временем процесса проницаемости воздуха через обо лочку шины, то для упрощения модели примем допущение, что заправка воздуха в шину происходит мгновенно.
Поскольку парциальное давление каждого из газов, находящихся в шине, про порционально доле этого газа, то в соответствии с формулой (3) начальное парциаль ное давление кислорода в шине pк 0 = 0 pш 0, а начальное парциальное давление азота pа 0 = (1 0 ) pш 0, где pш 0 – начальное давление смеси газов в шине, 0 – начальная концентрация (объемная доля) кислорода.
С течением времени парциальные давления азота и кислорода в шине изменя ются, соответственно, по зависимостям:
а ST k а Rа ST t t pа (t ) = pа 0 e = pа 0 e V V (12) к ST k к Rк ST t t p к (t ) = p к 0 e = pк 0 e V V и, (13) где Rа и Rк – газовые постоянные азота и кислорода соответственно, k а и k к – ко эффициенты проницаемости азота и кислорода соответственно, а и к – показатели проницаемости азота и кислорода соответственно.
Согласно формулам (6), (9) и (10):
pш (t ) = pа (t ) + pк (t ), (14) ш ( t ) ST а ST к ST t t t = (1 0 )e + 0 e V V V e, (15) ST ST t а к t ln (1 0 )e + 0 e V V ш (t ) =. (16) ST t V На основании формул (5) и (15) математическая модель процесса проницаемо сти смеси азота и кислорода через герметизирующий слой шины, не нагруженной вертикальной нагрузкой, при постоянной температуре:
ш ST а ST к ST t t t pш (t ) = pш 0 e = pш 0 (1 0 )e + pш 0 0 e V V V. (17) На рис. 1 приведены графики, показывающие изменение давления в шине с течени ем времени (вследствие газопроницаемости) из шины легкового автомобиля объемом V = 0,02 м 3, толщиной герметизирующего слоя = 0,002 м, с коэффициентами газо проницаемости кислорода kк = 1,3 10 16 с, азота kа = 0,35 10 16 с, площадью поверхно сти оболочки S = 1,1 м 2, при постоянной температуре T = 303 К, при ее заправке до нормативного давления pш 0 = 2,0 10 5 Па воздухом и чистым азотом.
На рис. 1 горизонтальной пунктирной линией отмечена нижняя граница норматив ного давления 1,9 10 5 Па. В шине с высокой газопроницаемостью заправленной возду хом (кривые 1 и 2), давление достигает этой границы через 4,70 суток, а при заправке чис тым азотом – через 6,86 суток. В шине с в 5 раз более низкой газопроницаемостью (кри вые 3 и 4) нижняя граница нормативного давления достигается соответственно через 22 и 32 суток.
p(t), Па10- 2, 1, 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 t, суток Рис. 1. Зависимости давления в шине, заправленной воздухом (кривые 1 и 3) и чистым азотом (кривые 2 и 4) от времени: 1 и 2 – шины с высокой газопроницаемостью;
3 и 4 – шины с низкой газопроницаемостью (при температуре 65 оС);
– экспериментальные точки Таким образом, заправка чистым азотом способствует стабилизации давления в шинах и позволяет увеличить интервал до первого восстановления нормативного дав ления в шине до 46%. Однако шиномонтажных мастерских шины заправляют не чис тым, а техническим азотом второго сорта, который содержит до 1% кислорода. При чем его заправляют в шину, в полости которой находился воздух под атмосферным давлением, содержащий 21% кислорода. В связи с этим, получена формула для расче та концентрация кислорода в шине, в момент заправки технического азота с концен трацией в нем кислорода а в шину, содержащую воздух с концентрацией кислорода к в до давления, которое превышает атмосферное в раз:
к в а в + а ш0 = + к= к к к. (18) +1 +1 + к Перед заправкой технического азота в новую бескамерную шину в ней нахо дится воздух под атмосферным давлением, содержащий 21% кислорода. Тогда после заправки технического азота до относительного давления = 2 объемная доля кисло рода в новой шине будет составлять 0,077, то есть примерно 8%. Таким образом, за правка в шину технического азота не избавляет шину от кислорода, а лишь уменьшает его относительное количество примерно в 2,8 раза. В шине, заправленной техниче ским азотом ( 0 = ш0 = 0,077 ), давление достигает границы нормативного давления к через 141 час (5,88 суток). При этом интервал до восстановления нормативного дав ления в шине увеличиваются только на 25%, а не на 46 % как при заправке шины чис тым азотом.
Необходимо отметить, что и в первом, и во втором случае результаты получен ных сравнений интервалов применимы только к первому восстановлению давления в шине. При каждом последующем восстановлении давления при достижении нижней границы нормативного давления интервалы между восстановлениями давления будут изменяться (кроме случая первой заправки и последующей дозаправки чистым азо том), поскольку с течением времени в шине, заправленной смесью газов, объемная доля кислорода изменяется.
Изменение объемной доли кислорода с течением времени связано с изменением давления смеси газов в шине pш (t ) и парциального давления кислорода pк (t ) зави симостью:
pк (t ) pк (t ) + ш (t ) pатм (t ) = = ш к. (19) pш (t ) + pатм к pш (t ) Эквивалентное выражение:
ш (t ) pш (t ) + ш (t ) pатм = pк (t ) + ш (t ) pатм. (20) к к к Отсюда изменение объемной доли кислорода с течением времени к ST к ST к ST t t t pe e V V V pe pк (t ) p (t ) ш (t ) = =kк = к 0 ST = в 0 к 0 ST = к 0 ST. (21) к pш (t ) k k k i i i pi (t ) pi 0 e V t t t p в 0 i 0 e i 0 e V V i =1 i =1 i =1 i = Поскольку одним из газов, составляющих воздух, является кислород, то к ST t к 0 e к V ш (t ) = =, (22) ST ST к ST k 1 ( i к ) k 1 i t к t t i 0 e i 0 e + к + к 0 e V V V i = i = где номерами i обозначены все газы, содержащиеся в воздухе, кроме кислорода.
Если принять допущение, что в закачиваемом в шину воздухе находится 79% азота и 21% кислорода, получим упрощенную формулу:
к ST t к 0 e к V p к (t ) ш (t ) = = =. (23) ST ST к ST pш (t ) ( а к ) а t к t t (1 к 0 )e + к (1 к 0 )e + к 0 e V V V На рис. 2 приведены графики изменения концентрации кислорода в шине с те чением времени, построенные по формуле (23).
Из графиков видно, что концентрация кислорода в шине с высокой газопрони цаемостью, заправленной воздухом с течением времени быстро уменьшается (кривая 1) вследствие большой проницаемости кислорода и примерно через 69 суток достиг нет начальной концентрации кислорода в шине, заправленной техническим азотом. У шин с низкой газопроницаемостью (кривая 4) для этого требуется почти год.
Рассмотрим влияние периодического восстановлении давления в шине путем заправки воздухом на изменение концентрации кислорода в ней с течением времени.
При заправке в момент времени t смеси газов с концентрацией в ней кислорода кг в з шину, содержащую воздух с концентрацией кислорода ш (t ) до нормативного давле к ния pш норм, превышающего давление в шине pш (t ) до заправки на p, получаем смесь газов с относительной концентрацией кислорода pш норм pш (t ) з г p ш (t ) + кг ш (t ) + к з pш (t ) + pатм pш (t ) + pатм к к к (t ) = =. (24) p pш норм pш (t ) 1+ 1+ pш (t ) + pатм pш (t ) + pатм ш (t ) к 0, 0, 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 t, сутки Рис. 2. Зависимость концентрации кислорода от времени в шине легкового автомобиля:
при заправке воздухом (кривые 1 и 3) и при заправке техническим азотом (кривые 2 и 4): 1 и 2 – шины с высокой газопроницаемостью;
3 и 4 – шины с низкой газопроницаемостью После преобразования этой формулы получим:
[ pш (t ) + pатм ] ш (t ) + [ pш норм pш (t )] кз г [ pш (t ) + pатм ] ш (t ) + [ pш норм pш (t )] кз г к (t ) = = к к pатм + pш норм pатм + pш норм (25) [ш (t ) + 1] ш (t ) + [ш норм ш (t )] кз г к (t ) = к или, (26) 1 + ш норм где ш (t ) – относительное давление в шине до заправки, ш норм – нормативное отно сительное давление в шине.
Формулу (11) для изменения давления в шине с течением времени можно пере писать в виде формулы для изменения относительного давления в шине от норматив ного относительного давления:
ш ( t ) ST i ST k t t ш (t ) = ш норм e = ш норм i 0 e V V. (27) i = Подставив в формулу (20) формулы (15) и (21), получим:
ST ST t к i i k k t ш норм i 0 e V + 1 + ш норм ш норм i 0 e V кг з ST ( ) t k + к 0 i =1 i = i 0e i к V к (t ) = i = 1 + ш норм.
(28) Если заправляемым газом является воздух, то ST ST k 1 i к t t ш норм i 0 e + ш норм к e V + V в в к (t ) = + i = к 1 + ш норм ST ( ) t k i 0 e + в i к V (29) к i = i ST к ST k 1 t t + ш норм ш норм i 0 e ш норм e V V в.
к i = Используя обоснованное допущение, что в закачиваемом в шину воздухе нахо дится 79% азота и 21% кислорода, получим упрощенную формулу для определения концентрации кислорода в шине после подкачки воздухом в момент времени t:
ST ST а к t t ш норм (1 к )e + ш норм к e V + V в в в к (t ) = + к 1 + ш норм ST ( ) t (1 в )e + в а к V (30) к к а ST к ST t t + ш норм ш норм (1 )e ш норм e V V в в.
к к На рисунке 3 представлена зависимость, построенная по формуле (30) при прежних условиях.
к(t), % 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 t, сутки Рис. 3. График зависимости концентрации кислорода в шине легкового автомобиля, получаемой в результате первого восстановления нормативного давления посредст вом дозаправки воздухом, от времени, прошедшего до дозаправки: 1 – для шин с вы сокой газопроницаемостью, 2 – для шин с низкой газопроницаемостью Из зависимости следует, что концентрация кислорода в шине в момент времени после ее дозаправки воздухом, с увеличением времени, проходящего до первой доза правки воздухом снижается, и достигает минимального значения через 118 суток ( месяца). С дальнейшим увеличением времени, проходящего до первой дозаправки воздухом, концентрация кислорода в момент после дозаправки воздухом увеличива ется постепенно и стремится к пределу:
в ш норм к (t ) = к 1 + ш норм (31) С использованием формул (23) и (30) получена зависимость концентрации ки слорода в шине от времени при условии заправки ее воздухом до нормативного дав ления через различные промежутки времени, например через месяц (рис. 4).
ш (t ), % к 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 t, сутки Рис. 4. График изменения концентрации кислорода в шине легкового автомобиля с уче том заправки воздухом до нормативного давления через 1 месяц: 1 – шина с высокой га зопроницаемостью;
2 – шина с низкой газопроницаемостью Выявлена закономерность, позволяющая определить интервал до первого восста новления нормативного давления в шине, при котором обеспечивается минимальная концентрация кислорода в шине при ее заправке воздухом.
Установлено, что чем меньше интервал между восстановлениями давления в шине, тем быстрее в ней уменьшается средняя концентрация кислорода. Таким обра зом, при нормальной эксплуатации шины (восстановлении давления через определен ный срок) концентрация кислорода в шине, заправленной воздухом, быстро снижает ся, и через 300 суток шина с высокой газопроницаемостью практически полностью очищается от кислорода. При этом интервалы между восстановлениями давления, не обходимые для поддержания его в пределах нормативного с течением времени рег рессивно увеличиваются почти на 47% вследствие уменьшения концентрации кисло рода, имеющего больший показатель проницаемости (рис. 4, кривая 2). В связи с вы шеизложенным можно сделать вывод, что постоянно заправлять шины азотом абсо лютно нецелесообразно. Тем не менее, для сокращения времени избавления шины от кислорода и увеличения периода обслуживания шины на начальном этапе ее эксплуа тации можно рекомендовать следующий способ заправки: первую заправку шины производить азотом, а при последующих дозаправках использовать воздух, который значительно дешевле. Это связано с тем, что дозаправка шин техническим азотом не дает эффекта по стабилизации давления.
ш (t ), % tп, сутки к 3 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 t, сутки Рис. 4. Графики изменения концентрации кислорода в шине с учетом заправки воздухом при достижении нижней границы нормативного давления (кривые 1 и 3) и графики изменения периода восстановления нормативного давления (кривые и 4): кривые 3 и 4 соответствуют шине с в 2 раза меньшей газопроницаемостью;
– экс периментальные точки В третьем разделе обосновывается простой способ увеличения интервалов между восстановлениями нормативного давления в шинах состоящий в повышении давления заправки до верхней границы нормы, или несколько выше. Рассмотрено влияние из менения давления в шинах на плавность хода автомобиля.
В правилах по эксплуатации шин указано, что отклонение давления воздуха в шине от нормативного уровня (указанного в технической характеристике АТС), не должно превышать:
– для шин легковых автомобилей, тракторов и сельхозмашин ± 0,1 Па 10-5;
– для шин грузовых автомобилей, автобусов и троллейбусов ± 0,2 Па 10-5.
Исходя из этого на рис. 5 приведены построенные по формуле (18) графики, кото рые отражают зависимости давления в шине от времени в случае отсутствия восстановле ния давления (кривая 1), а также при различных способах восстановления давления (уча стки А, Б, В и Г). Ширина участков определяет период между восстановлениями давления.
Для оценки степени повышения интервала периодичности обслуживания шины на участках Б, В, и Г по сравнению с интервалом на участке А использовался относитель ный коэффициент периодичности обслуживания, который определялся по формуле:
p min pmin K t = ln ln, (32) p зап pнорм где pнорм – нормативное давление воздуха для шины.
p(t), Б А В Г Па10- 2, 1, 1,50 1, 1, 0 30 60 150 120 210 t, сутки Рис. 5. Графики изменения во времени давления в шине при различных способах вос становления давления: кривая 1 – без периодического восстановления давления;
кривые на участках А, Б, В и Г – при различных способах восстановления давления:
А – при восстановлении давления до середины нормы (рекомендуемое давление) с после дующим его снижением на 0,1 Па 10-5, т.е. до нижней границы нормы;
Б – при восстановлении давления в шине до верхней границы нормы (на 0,1 Па 10-5 выше рекомендуемого) с последующим его снижением на 0,2 Па 10-5, т.е. до нижней границы нормы;
В – при заправке шины до давления выше верхней границы нормы на 0,1 Па 10-5 (на 0, Па 10-5 выше рекомендуемого) и при его снижении на 0,3 Па 10-5, т.е. до нижней границы нормы;
Г – при заправке шины до давления выше верхней границы нормы на 0,1 Па 10-5 (на 0, Па 10-5 выше рекомендуемого) и при снижении давления на 0,1 Па 10-5 ниже нижней гра ницы нормы Расчеты по формуле (32) дали следующие результаты: для наиболее часто используе мого при эксплуатации шин способа восстановления давления (участок А) относи тельный коэффициент периодичности обслуживания Kt = 1,00, для участка Б – Kt = 1,96;
для участка В – Kt = 2;
86;
для участка Г – Kt = 3,92.
Проведенная оценка влияния повышения давления в шинах на 10 % выше верхней границы нормы не оказывает влияния на ускорения кузова в области низко частотного резонанса, но пропорционально увеличивает ускорения кузова в области высокочастотного резонанса. Однако для высоких частот нормы вибронагруженности человека выше, поэтому влияние небольшого повышения давления в шинах на плав ность хода автомобиля не существенно.
В четвёртом разделе приведена методика и результаты экспериментальной проверки сходимости теоретических и экспериментальных данных. Выявлено влия ние различных факторов на точность экспериментального определения среднего ко эффициента газопроницаемости шины. Проведено сравнение результатов расчетов на разработанной математической модели с результатами экспериментов, которое пока зало их хорошую сходимость (рис.1 и 4). На основе статистических данных по рас пределению давления в шинах легковых автомобилей получен закон распределения относительного расхода топлива Qотн, выражаемый плотностью вида:
( Qотн 1, 0157 ) 1 21, 0170 f (Qотн ) = e. (33) 1,0170 Выявлено, что средний дополнительный расход топлива, вызванный эксплуатацией АТС с пониженным давлением в шинах, составляет более одного процента от расхода топлива, который идет на движение автомобиля.
Общие выводы по работе 1. Решена важная научно-практическая важная научно-практическая проблема, на правленная на повышение стабильности давления в шинах АТС и снижение затрат на их эксплуатацию, особенно в горных условиях, за счёт разработки и обоснования на основе математического моделирования процессов в шине, способов увеличения ин тервалов между восстановлениями нормативного давления.
2. Разработаны математические модели процессов изменения давления воздуха и кон центрации кислорода в шине вследствие газопроницаемости ее материалов, с помо щью которых выявлены закономерности указанных процессов, необходимые для обоснования способов увеличения интервалов между восстановлениями нормативно го давления.
3. Выявлено, что при заправке шины воздухом концентрация кислорода в нем с течением времени уменьшается по экспоненциальной кривой, причем шина, заправленная и под качиваемая воздухом, практически полностью освобождается от кислорода через 70… 350 суток (в зависимости от газопроницаемости ее материалов), а период между восстановлениями нормативного давления в шине при этом увеличивается.
4. Предложен и обоснован способ увеличения интервалов между восстановлениями нормативного давления в шинах, состоящий в том, что первую заправку шин осуще ствляют азотом, а последующие заправки шин – воздухом, который позволяет увели чить период между восстановлениями давления на начальном этапе эксплуатации шин на 25 % и сократить затраты на обслуживание шин.
5. Обоснован способ увеличения интервалов между восстановлениями нормативного давления в шинах, учитывающий сезонность их эксплуатации и состоящий в том, что шина заправляется воздухом и хранится в течение некоторого периода (сезона), и по следующие восстановления давления в ней также осуществляются путем заправки воздуха, который позволяет обойтись без использования технического азота.
6. Обоснован способ увеличения интервалов между восстановлениями нормативного давления в шинах за счет повышения давления заправки до верхней границы нормы или несколько выше, который позволяет в 2 – 3 и более раз увеличить интервал меж ду восстановлениями давления и существенно уменьшить вероятность эксплуатации шин с пониженным давлением.
7. Выполненная на основе статистических данных по распределению давления в ши нах легковых автомобилей оценка дополнительного расхода топлива из-за понижен ного давления, выявленного у 67 % автомобилей, показала, что в среднем он состав ляет более одного процента от расхода топлива, который идет на движение автомоби ля. Поэтому даже небольшое снижение вероятности эксплуатации шин с пониженным давлением за счет широкого внедрения предложенных и обоснованных способов уве личения интервалов между восстановлениями нормативного давления в шинах АТС, даст РФ экономический эффект в сотни миллионов рублей.
Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:
В изданиях, рекомендованных ВАК России:
1. Рябов, И.М. Способ увеличения периода технического обслуживания шин путем создания запаса давления / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, Ш.Д. Гечекбаев, М.М. Мур тузов, Т.Б. Залимханов // Грузовик. – М.: Машиностроение, 2011. – № 2. С. 12-15.
2. Чернышов К.В. Математическое моделирование процесса диффузии воздуха из шины / К.В. Чернышов, И.М. Рябов, Ш.Д. Гечекбаев, М.М. Муртузов // Грузовик. – М.: Машиностроение, 2011. – № 11. С. 14-18.
3. Чернышов К.В. Прогнозирование давления в шинах и рекомендации по периодич ности их обслуживания с учетом условий эксплуатации/ К.В. Чернышов, И.М. Рябов, Ш.Д. Гечекбаев, М.М. Муртузов // Грузовик. – М.: Машиностроение, 2011. – № 12. С.
4. Чернышов К.В. Изменение давления и концентрации кислорода в процессе диффу зии воздуха из шины / К.В. Чернышов, И.М. Рябов, К.В., Т.Б. Залимханов, М.М.
Муртузов // Грузовик. – М.: Машиностроение, 2011.- № 5. С. 9-17.
В прочих изданиях:
5. Гудков В.А. Диалектический подход к конструктивной эволюции шин и колес ав томобилей/ В.А. Гудков, И.М Рябов, М.М, Гасанов, М.М. Муртузов // Шина плюс:
всеукраинский журнал. – 2010. – №1. С. 15-19.
6. Гудков В.А. Анализ направления развития современных конструкций шин / В.А. Гудков, И.М Рябов, М.М, Гасанов, Т.Б. Залимханов, М.М. Муртузов // Шина плюс: всеукраинский журнал. – 2010. – №2. С. 9-11.
7. Гудков В.А. Влияние перекачивания шин на периодичность восстановления давле ния / В.А. Гудков, И.М Рябов, К.В.Чернышов, Ш.Д. Гечекбаев М.М. Муртузов // Шина плюс: всеукраинский журнал. – 2010.- № 3. С. 12-13.
8. Гудков В.А. Информационные системы контроля давления в шинах / В.А. Гудков, И.М Рябов, Д.В. Гудков, Т.Б. Залимханов, М.М. Муртузов // Шина плюс: всеукраин ский журнал. – 2010. – № 4. С. 11-13.
9. Гудков В.А. Воздух или азот? / В.А. Гудков, И.М Рябов, К.В. Чернышов., Д.В. Гудков, М.М. Муртузов // Шина плюс: всеукраинский журнал. – 2011. – № 1.
С. 10-11.
Формат 60х84 1/16. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № Типография Махачкалинского филиала МАДГТУ (МАДИ).
367026 г. Махачкала, пр. Акушинского, 13.