CC BY
73
электронное научно-техническое издание
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эя №<К! 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025.ISSN 1994-04QS_
Исследования взаимодействия пневмоколесного движителя сверхнизкого давления со снежным полотном пути # 08, август 2011
авторы: Блохин А. Н., Зезюлин Д. В., Горелов В. А., Беляков В. В.
УДК 629.113
ФГБОУ ВПО Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
a.n.blokhin@gmail.com balakhnaman@gmail.com gvas@mail.ru nauka@nntu.nnov.ru
Одним из наиболее тяжелых режимов работы транспортных средств является передвижение по снегу. Значительная часть территории России на длительный срок устойчиво покрывается снегом. На Европейском и Сибирском Севере снежный покров лежит 7 месяцев, а на Крайнем Севере - 8-9 месяцев. В ряде районов страны среднемноголетняя максимальная высота снега достигает 1,2 м [1]. Такая длительность, устойчивость и весьма большая высота снежного покрова являются существенной особенностью климата нашей страны и оказывает большое влияние на ее экономику и образ жизни населения.
В этих условиях движение автомобилей не только затрудняется, но зачастую и исключается совсем. Поэтому использование вездеходных машин является чаще всего единственной возможностью осуществления передвижения. Среди известных транспортных средств высокой проходимости колесные машины обладают наибольшей универсальностью и экономической эффективностью. В то же время, они недостаточно приспособлены для передвижения по снежной целине. Проведенные исследования транспортных средств на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления выявили чрезвычайно высокую проходимость, универсальность и эффективность этих машин. Поэтому, применение транспортных средств на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления является эффективным средством повышения проходимости и энергоэффективности при осуществлении транспортных операций.
Решение вопросов проходимости с научной и технической точек зрения, главным образом, лежит в области исследования взаимодействия движителя с дорожно-грунтовой поверхностью.
При функционировании системы «опорная поверхность-движитель» происходит взаимодействие движущегося транспортного средства с полотном пути. Результатом этого взаимодействия является остающаяся в грунте (снеге) после прохода машины колея (рис. 1); поэтому колею можно рассматривать в качестве физической модели процессов в системе «опорная поверхность-движитель» и энергетического показателя процесса взаимодействия пневматического колеса с полотном пути [2].
Рис. 1. Сравнение колей, образуемых автомобилями «Викинг»-2992 на шинах сверхнизкого давления и КАМАЗ-43114
Размеры и площадь поверхности контакта должны обеспечивать передачу потока мощности от машины к опорной поверхности. Величина этого потока лимитируется с одной стороны силовым агрегатом машины, а с другой - энергоемкостью материала полотна пути. Фактическая глубина колеи определяется свойствами грунта в момент его взаимодействия с движителем. Глубина колеи возрастает до тех пор, пока грунт под движителем не уплотнится настолько, что его несущая способность окажется достаточной для восприятия передаваемых движителем нагрузок [2].
В рамках данного исследования разработана математическая модель контактного взаимодействия пневмоколесного движителя сверхнизкого давления со снежным полотном пути, реализованная в программном комплексе MATLAB.
Разработанная модель позволяет оценить характер и количественные показатели процесса взаимодействия эластичных колес транспортного средства с деформируемой опорной поверхностью в зависимости от конструктивных параметров пневмоколесного движителя, эксплуатационных факторов (внутреннего давления воздуха в шинах, вертикальной нагрузки на колесо) и физико-механических параметров снега.
В качестве зависимости деформации снега от нормальной нагрузки была выбрана формула, предложенная в НГТУ В.А. Малыгиным [3]. Данный выбор объясняется тем, что она основана на обширных экспериментальных исследованиях, которые проводились на реальном снежном покрове несколько лет подряд и в течение всего зимнего периода, а это позволило получить богатый экспериментальный материал по вертикальной деформации снега. Кроме того, она неоднократно проверена на практике. Зависимость, характеризующая взаимосвязь между давлением q и деформацией к, записывается в виде [3]:
н - "
' 1 Л
ч к ,
\ тах у
(1)
q + у
где у - коэффициент начальной жесткости снега, характеризующий удельное сопротивление снега сжатию, представляет собой коэффициент жесткости (Н/м3) в начальной стадии деформации; Нтах - коэффициент, характеризующий величину деформации снега при давлениях, соответствующих максимальному уплотнению (м).
пуЬ + (
нтах - н-^- ,
тах Ь+(
где Н - высота снежного покрова (м); Ь - ширина штампа (м); пу - коэффициент уплотняемости снега; ( - эмпирический коэффициент.
Согласно экспериментальным исследованиям, проведенным В. А. Малыгиным в ОНИЛ ВМ:
а
пу - —— , (2)
Ро + а
где ро - начальная плотность снега; а = 0,3 г/см3.
На основании этих же экспериментальных данных зависимость ( от Н хорошо согласуется с выражением вида
( = 0,0287 (100Н)3/2
Зная легко определяемые параметры (начальную плотность снега р0 и его начальную жесткость у), рассчитывается глубина погружения штампа на снежной целине заданной высоты Н в зависимости от нагрузки:
к =
Я
Ь + й Н (пуЬ + й)
Я + У
Таким образом, исходными данными модели с одной стороны являются описанные выше параметры снежного покрова, с другой - параметры распределения нормальных давлений по площади контакта колеса с опорным основанием.
Для формирования массива данных о распределении нормальных давлений в зоне контакта шины сверхнизкого давления с опорной поверхностью были проведены экспериментальные исследования. Объектом экспериментального исследования являлся автомобиль «Викинг»-2992 (рис. 2), технические данные которого представлены в таблице.
Рис. 2. Общий вид автомобиля «Викинг»-2992 Краткая техническая характеристика объекта испытаний
Колесная формула 4х4
Полная масса машины, кг 2400
- на переднюю ось 1200
- на заднюю ось 1200
Шины ТРЭКОЛ 1300х600-533
Мощность двигателя ВАЗ 2130, кВт 60
Максимальный крутящий момент двигателя, Нм 134
Методика проведения испытаний и структурно-функциональная схема соединения измерительно-регистрирующей аппаратуры подробно описаны в работах [4-6]. В результате проведенных испытаний получены трехмерные эпюры распределений нормальных давлений по площади контакта колес исследуемого транспортного средства с опорной поверхностью при различных внутренних давлениях воздуха в шинах (рис. 3).
р. МП»
-0.4 0
Рис .3. Пример результатов экспериментальных исследований: трехмерная эпюра давлений в контакте шины 1300x600-533 модели «Трэкол» с уплотненной грунтовой поверхностью = 600 кгс; р0 = 0,03 МПа; V = 0,5 км/ч);
Для определения начальной жесткости снега у проводилось экспериментальное определение зависимости «нагрузка - вертикальная деформация снега» (рис. 4).
Зависимость деформации снега от величины удельного давления (глубина снега 720 мм, 1=-10 С, плотность 0,25...0,31 г/смЗ)
Давление, МПа
1 0,с 02 0,С 04 0,< 06 0,< 08 0, )1 0,< 12 ОД
♦
11 = 241 -9,5939
--- « ♦
Рис. 4. Зависимость деформации снега от величины давления (Н=720 мм; 1°= -10 оС; р0=0,28...0,31 г/см3)
На рис. 5 показаны результаты моделирования контактного взаимодействия шины 1300x600-533 модели «Трэкол» при движении по снегу (Н=0.72 м, р=0.30 г/см3, у=0,0678 МПа/м) с нагрузкой 600 кг и давлении воздуха в шине 0,3 МПа. Как видно из рис. 5 максимальная глубина колеи составляет 0,26 м.
Рис. 5. Расчетная поверхность контакта шины 1300x600-533 модели «Трэкол»
со снежным полотном пути
Для проверки адекватности имитационной модели проводились замеры глубины колеи, образуемой пневмоколесным движителем автомобиля «Викинг»-2992 (рис. 6). В результате экспериментальных исследований установлено, что на снегу с параметрами, соответствующими исходным данным разработанной модели, максимальная глубина колеи не превышает 0,28 м.
Рис. 6. Фрагменты испытаний по определению глубины колеи автомобиля «Викинг»-2992 на снегу (Н=0.72 м, р=0.30 г/см3, у=0,0678 МПа/м)
Таким образом, при сравнении расчетных данных с данными экспериментальных исследований (рис. 7) наблюдается удовлетворительная сходимость результатов.
Рис. 7. Сравнение результатов моделирования с данными экспериментальных исследований
Экспериментально установлено, что глубина колеи существенно зависит от давления воздуха в шине [7, 8].
Рис. 8. Зависимость глубины колеи снежной целины транспортного средства «Викинг» от давления воздуха в шине (расчетные данные)
Характер зависимости глубины колеи от давления воздуха в шине, представленный на рис. 8, определяется максимальным давлением колеса на опорную поверхность, которое также будет зависеть от давления воздуха в шине (рис. 9).
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Давление воздуха в шине, МП а
Рис. 9. Зависимость максимального давления в контакте шины со снежной опорной поверхностью для транспортного средства «Викинг» от давления воздуха в шине
(расчетные данные)
Глубина колеи и максимальные давления в контакте определяют сопротивление движению, связанное с деформацией снежного полотна пути Р^ [5]:
У (4)
^г I ( У "тд.г __С(;пах_
^ * " Т Кы + Ч«™' Г К1ах ■+ '
где Ь — ширина колеи; Цтах - максимальное давление в контакте колеса с опорной поверхностью; у, Итах - параметры, указанные в формуле (1).
Зависимость суммарной силы сопротивления движению, основной составляющей в которой является сопротивление движению, обусловленное смятием снежного полотна пути, от давления воздуха в шине для транспортного средства «Викинг» представлено на рис. 10. При изменении давления от 0,06 МПа до 0,012 МПа сила сопротивления движению для транспортного средства «Викинг» уменьшилась в 1,69 раза.
Рис. 10. Зависимость силы сопротивления движению по снегу транспортного средства «Викинг» от давления воздуха в шине (расчетные данные)
Таким образом, в рамках данного исследования разработана модель контактного взаимодействия пневмоколесного движителя сверхнизкого давления со снежным полотном пути. Предложенная модель позволяет оценить величину силы сопротивления движению пневмоколесного движителя сверхнизкого давления по снежной целине в зависимости от внутреннего давления воздуха в шинах при заданных физико-механических параметрах снега. Произведено сравнение расчетных данных с данными экспериментальных исследований для транспортного средства «Викинг»-2992 на шинах 1300х600-533 модели «Трэкол». Установлена удовлетворительная сходимость результатов. Проведен анализ параметров взаимодействия движителя вездеходного транспортного средства с деформируемой опорной поверхностью, на основании которого можно объективно оценивать показатели проходимости и энергоэффективности транспортных средств.
Данная научно-исследовательская работа проводилась в рамках федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».
Список использованных источников
1. Аникин А.А. Разработка научных методов повышения проходимости по снегу особо легких гусеничных машин. - Дис. докт. тех. наук: 05.05.03. НГТУ, Н.Новгород, 2010. - 308 с.
2. Вездеходные транспортно-технологические машины // Под редакцией В. В. Белякова и А. П. Куляшова. - Н. Новгород.: ТАЛАМ, 2004. - 960 с.
3. Малыгин В. А. Исследование процесса деформации снега под воздействием гусеничного движителя и обоснование выбора размеров опорной поверхности гусениц снегоходных машин: Дисс. ... канд. техн. наук: 05.05.03. - Горький, 1971. - 155 с.
4. Беляков В.В. Распределение давлений в контакте шины с дорогой/ В.В. Беляков, А.Н. Блохин, Д.В. Зезюлин, А. А. Алипов // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2011. - №1(49). - С. 15-18.
5. Блохин А.Н. Определение нормальных усилий в контакте шины сверхнизкого давления с опорной поверхностью / А.Н. Блохин, В.В. Беляков, Д.В. Зезюлин, А. А. Алипов // Журнал ААИ. Журнал автомобильных инженеров. - 2011. - №2(67) - С.30-33.
6. Алипов А. А. Экспериментальное определение распределения нормальных давлений в зоне контакта пневматической шины сверхнизкого давления с опорной поверхностью / А.А. Алипов, В.В. Беляков, А.Н. Блохин, Д.В. Зезюлин, А.М. Носков // Сборник материалов 71-й международной научно-технической конференции ААИ «Безопасность транспортных средств в эксплуатации». - Н.Новгород: НГТУ. - 2010 - С.113-116.
7. Беляков В. В. Расчет проходимости колесных машин при криволинейном движении по снегу / В.В. Беляков, А.Н. Блохин, В.С. Макаров, С.Е. Манянин // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2010. - №3(47). - С. 35-38.
8. Барахтанов Л.В., Беляков В.В., Кравец В.Н. Проходимость автомобиля. - Н. Новгород: НГТУ, 1996. - 200 с.
