CC BY
9
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧНОСТИ ПОЛНОПРИВОДНЫХ КОЛЕСНЫХ МАШИН
Синицын С.С. (БГИТА, г. Брянск, РФ)
The criteria of optimum capacity, controlled parameters, and target functions have been substantiated. The parametric optimization of traction coupling properties to the criterion of minimum energy consumption has been made.
Главной целью исследований является практическое подтверждение возможности решения проблемы снижения техногенного воздействия движителя колесных машин на окружающую среду в различных дорожных условиях.
В качестве объекта исследований был выбран трехосный полноприводный автомобиль КрАЗ - 255Б1, оснащенный раздаточной коробкой с принудительной блокировкой привода переднего моста (ПМ), блокируемым дифференциалом в приводе мостов задней тележки (ЗТ) и широкопрофильными шинами с регулируемым давлением воздуха.
Поскольку глобальным критерием экологичности колесных машин является энергоёмкость процесса взаимодействия движителя с опорной поверхностью, то в качестве исследуемого параметра использовалось сопротивление движению. Наиболее удобными способами позволяющими косвенно оценить сопротивление движению являются замер расхода топлива и метод выбега, заключающийся в определении времени и пути выбега автомобиля с отключенной трансмиссией от начальной скорости до полной остановки.
Расход топлива определялся с помощью колбового расходомера Р-11 конструкции НАМИ, установленного в кабине автомобиля и включенного параллельно штатному топливопроводу. Для определения времени выбега использовался двух-стрелочный секундомер.
Для проведения экспериментальных исследований затрат мощности на движение по деформируемым основаниям был выбран мерный участок протяженностью 150 м и примыкающий к нему участок входа в режим. Участки выбирались из условия неизменности физико-механического состояния грунта. В качестве дорожных оснований были использованы увлажненный и сухой сыпучий песок плотностью 1,3 - 1,4 г/см и влажностью 12 % на глубине 25 см, а также влажная луговина (ю=40 - 50 %).
Для косвенного определения степени влияния схем привода мостов автомобиля КрАЗ - 255Б1 на сопротивление движению по бетонному шоссе были проведены испытания по определению параметров выбега и расхода топлива по экономической характеристике.
Выбег проводился от скорости 60 км/ч до полной остановки автомобиля. В ходе испытаний фиксировались время выбега t и путь выбега S, которые косвенно отражают энергозатраты на движение. Испытания проводились для трех схем привода с трехкратным повтором и осреднением результатов. Для получения более достоверных результатов выбег проводился при прогретых до стабильного со-
стояния шинах и агрегатах силового привода. Осредненные значения исследуемых параметров ^ и £ приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры выбега автомобиля КрАЗ - 255Б1 (Оа = 200 кН, Рм,= 0,35 МПа)__
Схема привода Параметры выбега
1 сек 8, м
Схема 1 (полная блокировка) 81 605
Схема 2 (ПМ - блокировка, ЗТ - дифференциал) 88 662
Схема 3 (ПМ - отключен, ЗТ - дифференциал) 102 755
Как свидетельствуют результаты выбега, первая схема привода (полная блокировка) имеет большую энергоемкость, на 9% по сравнению со второй схемой и на 25% по сравнению с третьей схемой.
Эти весьма показательные результаты обусловлены разным уровнем отдельных составляющих суммарной силы сопротивления качению (за исключением потерь на преодоление сопротивления воздуха - они примерно одинаковы).
При испытаниях автомобиля с силовой передачей, выполненной по третьей схеме, потери мощности определяются, в основном, двумя факторами:
- потерями в шинах;
- дополнительными потерями на трение в межосевом дифференциале.
При включении переднего моста (схема 2) появляются дополнительные потери в межосевом приводе от циркуляции мощности в блокированном контуре. Как следует из параметров выбега, эта составляющая достигает почти 70% от общих дополнительных энергозатрат.
Блокировка межосевого дифференциала в приводе задней тележки обуславливает появление дополнительных потерь от циркуляции мощности в блокированном контуре задней тележки. Доля этих потерь достигает 30% от общих дополнительных затрат.
Для определения степени влияния схем привода на расход топлива по экономической характеристике были проведены заезды с постоянной скоростью на мерном участке бетонного шоссе длиной 2000 м. Результаты замеров приведены в таблице 2.
Из таблицы следует, что полная блокировка привода к мостам (схема 1)при номинальном давлении воздуха в шинах увеличивает расход топлива по сравнению со схемой 2 на 7,4%, а по сравнению со схемой 3 - на 11,4%.
С качественной стороны полученные результаты соответствуют данным, полученным при выбеге (таблица 1 ), однако с количественной стороны разница в расходе топлива (в процентном отношении) гораздо меньше, чем в параметрах выбега (4<9, и 11,4<25).
Такое расхождение объясняется неадекватностью силовых потоков в колесном движителе в различных режимах движения - ведомом и ведущем. На автомобиле КрАЗ - 255Б1, движущемся в ведущем режиме, при подведении к движителю крутящего момента, необходимого для движения по шоссе с эксплуатационными скоростями, уменьшается циркуляция паразитной мощности. В этом случае дополнительные потери в движителе от блокировки не превышают 11,4%.
Таблица 2 - Расход топлива автомобилем КрАЗ - 255Б1 (Длина участка 2000
м, V передача в КПП)
Схема привода Параметры заездов
Скорость заданная, км/ч Скорость фактическая, км/ч Расход топлива, 3 мм Прирост по отношению к схеме 3,%
Схема 1 (полная блокировка) 30 32,6 644 11,4
Схема 2 (ПМ - блокировка, ЗТ - дифференциал) 30 32,9 621 7,4
Схема 3 (ПМ - отключен, ЗТ - дифференциал) 30 32,9 578 0
Поскольку основной причиной возникновения циркуляции паразитной мощности является разница в радиусах качения колес различных осей (при установке одинаковых давлений в шинах), то представляется целесообразным исследовать возможность устранения циркуляции путем регулирования давления в шинах переднего моста. Исследования проводились на бетонном шоссе (участок длиной 2000 м) для первой и второй схем силового привода. Давление в шинах задней тележки было установлено равным 0,35 МПа, а в шинах передней оси ступенчато регулировалось в диапазоне 0,35...0,275 МПа. Показатели топливной экономичности объекта испытаний приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Расход топлива автомобилем КрАЗ-255Б1 Рф = Р^з = 0,35
МПа; = уаг. Vпередача в КПП)
Схема привода Давление PW\, МПа Парамет] ры заездов
Скорость заданная, км/ч Скорость фактическая, км/ч Расход топлива, мм Прирост по отношению к min
Схема 1 0,35 30 32,6 644 8,4 %
0,325 30 32,5 618 4 %
0,3 30 32,7 594 0
0,275 30 32,4 628 5,7 %
Схема 2 0,35 30 32,9 621 8,3 %
0,325 30 33,0 595 3,8 %
0,3 30 33,1 573 0
0,275 30 32,8 608 5,8 %
Анализ полученных данных подтвердил возможность ликвидации циркуляции паразитной мощности путем установки соответствующего давления в шинах передней оси. Для обеих схем привода минимальный расход топлива, а значит и минимум энергозатрат обеспечивается при установке в шинах колес передней оси давления равного 0,3 МПа (оптимальное давление). При изменении давления в обе стороны от оптимального наблюдается рост расхода топлива, что объясняется появлением и увеличением циркулирующей мощности.
Некоторое уменьшение расхода топлива при Р^ = 0,3 МПа для схемы 2
по сравнению со схемой 3 (см. таблицу 2) объясняется тем, что снижение энергозатрат за счет перевода колес передней оси в ведущий режим компенсирует потери мощности от циркуляции в блокированном приводе задней тележки. С учетом этих результатов можно утверждать, что на твердом дорожном покрытии, путем регулирования давления в шинах переднего моста для автомобиля КрАЗ-255Б1 при полной загрузке (схема 2) и прямолинейном движении с эксплуатационной скоростью, можно обеспечить минимум энергозатрат. При этом, поскольку все колеса одинаково участвуют в тяговом балансе, повышается курсовая устойчивость движения, снижается нагруженность мостов крутящим моментом, уменьшается буксование, а, следовательно, и абразивный износ шин. Это обстоятельство является одним из важным аргументов в пользу применения на твердых покрытиях постоянно включенного привода ко всем ведущим колесам. Однако, для полного использования потенциальных возможностей блокированного привода, необходимо обеспечить кинематическое соответствие (равенство радиусов качения) колес замкнутых силовых контуров мосты задней тележки и привод переднего моста.
Для определения степени влияния кинематического несоответствия в приводе задней тележки на силовые и триботехнические показатели были проведены экспресс - исследования автомобиля КрАЗ-255Б1 с отключенным передним мостом и при полном буксовании колес задней тележки (привод ЗТ - блокирован). Кинематическое рассогласование в задней тележке моделировалось за счет ступенчатого изменения давления в шинах второй оси.
В ходе испытаний фиксировались силовые (крутящие моменты, подводимые к мостам) и триботехнические (износ протектора шин) параметры буксования. По крутящим моментам в дальнейшем определялись значения сил тяги Р К , реализуемых мостами задней тележки. Износ протектора шин оценивался по истиранию алюминиевых вставок (шипов) в грунтозацепах. Результаты исследований представлены на рисунке 1 .
Как следует из характера изменения функциональных зависимостей
Р К = /(Рж ) и 3 = /(Р^ ) одинаковое участие в тяговом балансе (АР к = 0) и минимальный суммарный износ 3 шин (вставок) обеспечивается при установке следующих давлений Рш = 0,34 МПа (АР ж = 10 кПа = 0,01 МПа).
-1.5 -1.0 -1.5 0 0.5 1.0 1.5 ЛРк.кН
160
140
\ 120 л ~ У
-40 -30 -20 -10 0 10 20 ЛРж,кПа
Рисунок 1 - Влияние кинематического рассогласования на износ шин
Достижение оптимальных силовых и триботехнических характеристик при АРК = 10 кПа, а не при АРК = 0 объясняется тем, что при воздействии силы тяги на крюке происходит перераспределение вертикальной нагрузки между мостами задней тележки - вторая ось разгружается, а третья - догружается. Поэтому, для обеспечения безциркуляционной работы привода задней тележки требуется выравнивание радиусов качения колес, а, в данном случае, это достигается уменьшением давления в шинах второй оси до 0,34 МПа (АР# =-10 кПа). При отклонении давления р№ в ту или иную сторону происходит перераспределение силы тяги (АР д. ф 0) и гиперболическое увеличение суммарного износа шин.
При исследования автомобиля КрАЗ-255Б1 на грунтах оценка экологичности движителя осуществлялась по расходу топлива, необходимого для преодоления мерного участка длиной 100 м. В качестве опорных поверхностей использовались увлажненный песок и влажная луговина.
При исследовании эффективности подключения переднего моста использовались 2 и 3 схемы привода. давление во всех шинах было принято равным 0,25 МПа, а в качестве мерного участка использовалась промплощадка с насыпным увлажненным песком (длина участка - 100 м). Движение осуществлялось со скоростью 30 км/ч. Результаты испытаний приведены в таблице 4.
Как следует из таблицы 4, подключение переднего моста снижает расход топлива на 19,3 %. Как было показано теоретически [2], перевод единичного колеса с ведомого в ведущий режим снижает энергозатраты на 56 %. Что касается движителя в целом, то снижение энергозатрат на значительную величину (19,3 %) можно объяснить тем, что наибольший вклад в суммарные энергозатраты вносят именно колеса первой оси.
Таблица 4 - Расход топлива автомобилем КрАЗ-255Б1 при движении по увлажненному песку (О а = 200 кН)
Схема привода Параметры заездов
Скорость заданная, км/ч Скорость фактическая, км/ч Расход топлива, мм Прирост, %
Передний мост подключен (схема 2) 30 29,3 124 0
Передний мост отключен (схема 3) 30 28,9 148 19,3
Результаты аналогичных испытаний автомобиля КрАЗ-255Б1 на влажной луговине приведены в таблице 5.
Больший эффект от подключения переднего моста при движении по луговине (по сравнению с песком) можно объяснить тем, что при замене ведомого режима на ведущий у передних колес исчезает так называемое «бульдозерное сопротивление», которое на связных грунтах значительно больше, чем на сыпучих.
Таблица 5 - Расход топлива автомобилем КрАЗ-255Б1 на влажной луго-вине( = 200 кЯ, Р ф = 0,2 МПа, V = 15 км/ч)
Схема привода Параметры заездов
Скорость заданная, км/ч Скорость фактическая, км/ч Расход топлива, мм5 Прирост, %
Схема 2 (Передний мост подключен) 15 14,1 161 0
Схема 3 (Передний мост отключен) 15 13,8 198 23,1
Результаты испытаний автомобиля КрАЗ-255Б1 по оценке экологического эффекта от снижения давления в шинах наглядно представлены в графической форме на рисунке 2.
Как следует из характера кривых ( = / (Р^), минимальный расход топлива (меньшая энергоемкость) имеет место при определенном (оптимальном) давлении в шинах. Причем значение этого давления зависит от несущей способности грунта. Так, для песка оно равно 0,21. 0,22 МПа, а для луговины - 0,14. 0,16 МПа. Причем, как свидетельствует интенсивность роста кривых ( = (Рг) в обе стороны от минимумов, чем меньше несущая способность грунта, тем больше эффект от снижения давления.
Рисунок 2 - Расход топлива (() в зависимости от давления в шинах (Оа = 200 кЯ, Рф = уаг)
Таким образом, как показали результаты исследований, для снижения техногенного воздействия на окружающую среду полноприводных колесных машин приемлемы следующие рекомендации:
- при движении по твёрдому дорожному покрытию оптимальным (с энергетической точки зрения) является полностью дифференцированный привод ведущих мостов, допустимым является частичная блокировка, но с корректировкой давлений в шинах;
- при движении по деформируемым грунтам предпочтение следует отдать полностью блокированному приводу с установкой в шинах оптимальных давлений, исключающих циркуляцию паразитной мощности и обеспечивающих минимальное сопротивление движению.
Литература
1. Синицын С.С. Энергетический анализ работы колесного движителя на деформируемом грунте // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику: Сб. трудов. - Брянск, 1997.
2. Синицын С.С., Кузнецов С.Н. Триботехническая и экологическая оценка работы колёсного движителя // Актуальные проблемы лесного комплекса. Сборник научных трудов. Выпуск 12. - Брянск, БГИТА, 2005.-С.146-148.
