Использование принципов модульного проектирования при создании специализированных автотранспортных средств (САТС) Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СЕМИНАР 7 : ;

КЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ: ГОРНЯ

МОСКВА, МІ I У, 25.01.99 - 29.01.99

: о.м.

2000 :

* О .М. : КайдаНОВ; А.а. КУЛеШОе,: ;:

УДК 621.001.2:622

О.М. Кайданов, А.А. Кулешов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ МОДУЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИ СОЗДАНИИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ АВТОТРАНСПОРТНЫХ i СРЕДСТВ(САТС)

П

од модульным проектированием в машиностроении понимают использование стандартных, унифицированных узлов (секций) в машинах, как правило одного типоразмерного ряда определенного функционального назначения [1]. В автомобильной промышленности такими модулями являются, например, кабины автомобилей, двигатели внутреннего сгорания, коробки перемены передачи, шины и пр.

Цель модульного проектирования - уменьшить затраты на разработку оригинальных узлов машины, сроки проектирования и снижение эксплуатационных расходов [2]. Использование модулей позволяет максимально унифицировать архитектурно-

функциональную структуру машин с различными весовыми, энергетическими и габаритными характеристиками.

В качестве примера можно привести разработки ЦНИИОМТМ (90-е годы) одно-, двух- и трехосных тележек - модулей, рам и других узлов. При этом приняты радиальные шины 8,25R15. Изготовлены опытные образцы САТС на этих шинах [1].

Построение техники на модульном принципе рассматривается как высшая форма стандартизации сложных технических систем (Т-систем).

При проектировании САТС инженер обязан исходить из следующих, определяющих конструкцию изделия, факторов:

• функциональность, т.е. обеспечение специфических требований заказчика,

проистекающих из особенностей конструкции изделия, учитывающих удобства эксплуатации и ремонта;

• надежность работы в заданных условиях эксплуатации при установленных сроках службы;

• технологичность, т.е. возможность изготовления при возможно меньших затратах труда, материалов, энергии.

Любая Т-система характеризуется целью, структурой и поведением [2].

Многие требования к модульному проектированию изделия противоречивы. Поэтому обычно строится функционал комплексного критерия с линейной (а) и нелинейной (б) зависимостью от функций частных критериев:

F(D) =І XфFф(D) (а)

^=1

F(D) = ^ (Б)^ (б)

^=1

где к - число частных критериев; Хф,Ху- числовые коэффициенты,

устанавливаемые аналитическим или опытным путем.

При этом все функции критерия F( Б) необходимо либо привести к безразмерным величинам, либо к одной размерности. Естественным комплексным критерием является экономический.

Можно полагать, что использование модульного принципа проектирования Т-системы есть действие определенного экономического регулятора, выбирающего одно из доступных состояний системы в допустимых

границах изменении, не отменяющее законы поведения самоИ системы.

Модульное проектирование позволяет создавать САТС с адаптив-но-перестраиваемыми в зависимости от условии внешнеИ среды связями. Модульное формирование техники (САТС) построено на следующих принципах:

• обязательность долгосрочного прогнозирования;

• совместимость - функциональная и геометрическая - объектов;

• упорядоченность построения объектов;

• согласованность размеров и параметров и интернизация техники (экспортные поставки и возможность комплектации импортными узлами).

Модульные приемы конструирование -верхнии уровень унификации изделиИ. Например, для соседствующих в типоразмерном ряду двух- и трехосных автомобилей с одинаковыми нагрузками на задние мосты могут быть применимы единые типоразмеры ободьев колес, шин, балок мостов, их редукторов и тормозных механизмов, чем будет сокращено число их типоразмеров в соответствующих рядах. При этом может быть скорректирован верхний уровень унификации на основе требований внутреннего рынка и экспорта в сторону расширения модификаций и увеличения типоразмеров агрегатов. Наиболее рациональной является унификация на основе модифицированных базовых моделей [3]. При этом обеспечивается высокая степень унификации автомобилей по сравнению с базовыми - от 81 до 99 % для разных моделей. Так, например, у автомобилей - самосвалов коэффициент применяемости -более 0,88, а у седельных тягачей -0,85...0,99 [4].

Принципы модульного проектирования САТС представляют собой диалектический путь преодоления объективно сложившихся противоречий между стремлением потребителей получить технику со все большим многообразием функций и стремлением производителей к устоявшемуся производству однородной продукции.

Грузонесущее шасси автомобиля представляет собой функциональный модуль - часть технической системы с насыщением оборудованием. Функциональный модуль является модулем

более высокого уровня иерархии в системе и формируется на базе конструктивных модулей. Для САТС - это снаряженные оси шасси, пневмоко-лесные тележки и пр.

Таким образом, в классическом понимании модуль - это повторяющаяся стандартная часть целого («кубики», «кирпи-чи»), позволяющая формировать определенную конструкцию с различными эксплуатационно-техническими параметрами: на-

пример, число снаряженных осей автомобиля. Либо модуль - стандартный функциональный узел (один), используемый в машинах одного типоразмерного ряда, либо в смежных рядах машин одного функционального назначения: например, погрузочные, транспортные машины.

Если рассматривать специальные автотранспортные средства (САТС), представляющие собой симбиоз (комплекс) из серийно выпускаемых автомобильных шасси и различного навесного оборудования (кра-ны, буровые установки, сварочные установки, ремонтные мастерские и пр.), или емкостных конструкций (кузова, цистерны и пр.), то за системообразующий модуль здесь, скорее всего, целесообразно принять собственно автошасси с установленным на нем грузоподъемным устройством в виде крюкового грузозахватного приспособления, которое позволяет производить загрузку с грунта любого из сконструированных кузовов или площадок со спецоборудованием. Таким обра-

Рис. 3. Основные эксплуатационные свойства САТС

зом, грузонесущий модуль САТС наделяется и дополнительной функцией - захвата, погрузки и съема любого навесного оборудования. На базе грузонесущего модуля формируется семейство САТС различного функционального назначения (рис. 1).

Специализированные автотранспортные средства, выполненные на базе единого грузонесущего модуля, благодаря большому разнообразию грузовых платформ (рис. 2) является многоцелевыми (рис. 3).

При этом технологические функции САТС возможно изменять многократно в течение суток. Конструктивное решение грузонесущего модуля позволяет значительно сократить время ожидания САТС в период погрузочно-разгрузочных операций. Смена грузовых платформ осуществляется быстро и легко: не более, чем за 3 мин. Параметры грузовых платформ и грузозахватных устройств могут быть изменены в соответствии с предъявляемыми заказчиком требованиями, но при этом, естественно, должны быть изменены и основные параметры грузонесущего модуля, а именно - габаритные размеры, число осей (колесная формула) и при необходимости - мощностные характеристики.

Изменяя число осей в шасси, можно существенно изменять эксплуатационные возможности грузоне-сущего модуля. Таким образом, снаряженная ость является своего рода «субмодулем» основного модуля.

При создании САТС с использованием модульного прин-ципа наибо-

Рис. В.СТмактвруЗАТС: си.сакформ шещиалгатфоривмих автотранс-

портных средств

лее сложной задачей является обеспечение совместимости - конструктивной, технологической и эксплуатационной - грузонесущего модуля и съемной платформы (оборудования). Поэтому, наряду с известными, стандартизованными эксплуатационными свойствами автомобилей, для САТС целесообразно ввести такое свойство, как совместимость грузонесущего модуля и съемной грузовой платформы (рис.3).

Это свойство характеризует конструктивную и функциональную совместимость, возможность варьирования мощностными, массовыми и габаритными характеристиками САТС.

Процесс создания САТС, особенно в условиях рыночных отношений и мелкосерийного производства, представляет собой поиск компромиссных решений при наличии противоречивых требований. При этом конструктивные решения должны приниматься с учетом того, что расходы на эксплуатацию САТС значительно выше, чем на их изготовление. Поэтому увеличение себестоимости производства САТС оправдано в том случае, если при этом уменьшаются эксплуатационные расходы. Поэтому в процессе создания САТС необходимо проводить комплексный техникоэкономический анализ.

Исходя из потребностей народного хозяйства и анализа существующих моделей большегрузных автомобильных шасси, в качестве базового принято полноприводное шасси автомобиля Урал-4320.10 и его модификации. Данная модель привлекает высокой проходимостью, хорошими тяго-во-эксп-луатационными свойствами и достаточно высокой надежностью. Конструкция этого автомобиля хорошо отработана - недаром они являются основными автотранспортными средствами в армии.

При модульном проектировании САТС могут быть рассмотрены два случая:

• базовый модуль (шасси с грузозахватным и грузоподъемным устройствами) принимается без конструктив-

ных изменений по сравнению с заводским вариантом;

• конструкция базового шасси изменяется.

Рассмотрим случай с изменением конструкции базового шасси. В том случае, если требуется перевозить длинномерный материал или размещать на шасси технологическое оборудование для выполнения, например, погрузочных и буровых работ, принимаются следующие конструктивные решения: 1) увеличивают длину грузовой платформы; 2) устанавливают -IV-й дополнительный мост, который устанавливается за задней балансир-ной подвеской. Этот мост может быть как ведущим, так и выполненным в виде поддерживающей оси. В данном случае в рамках типоразмерного ряда уже варьируется и мощность силовой установки, которая определяется расчетом.

Естественно, такой подход является более гибким и требует больших первоначальных затрат на создание САТС. Однако в эксплуатации эти САТС более эффективны.

В период 1994-1998 гг. в Региональном Центре Уралавтосервис «Урал-авто СПб» с использованием принципов модульного проектирова-

ния был спроектирован и запатентован ряд моделей САТС. Из них внедрены в мелкосерийное производство следующие САТС:

1. Автосортиментовозы с задним расположением гидроманипулятора на полноприводном шасси Урал-4320.10, Урал-4320-19112.30.

2. Комплекс коммунальных машин, включающий снегоуборочный комплекс с применением фрезернощеточного шнекороторного устройства, работающего одновременно с пескоразбрасывающим кузовом. Это достигнуто применением гидрообъемной передачи.

3. Сортименто-, отходо-, металловоз с задним расположением гидроманипулятора с самосвальной установкой с боковой разгрузкой. За счет того, что шасси оборудовано таким крюковым грузозахватным приспособлением аналогично «мультилифту», снегоуборщик в считанное время переоборудуется в поливомоечный комплекс.

4. Полноприводное шасси повышенной грузоподъемности, где увеличение длины рамы и подведение моста позволило поднять грузоподъемность автошасси Урал-55571.30, Урал-4320.1912.30 с 12 до 16 тонн, когда все возможности, казалось бы, были уже исчерпаны.

5. Полуприцеп - сортиментовоз с гидроманипулятором, работающим от насоса, связанного с автономным двигателем, установленным на полуприцепе [5].

Выводы

1. Модульное проектирование САТС позволяет более системно подходить к созданию многофункциональных САТС на базе серийно выпускаемого базового шасси или модернизированного в условиях другого производства.

2. Меняя число осей ходовой части (снаряженная ось рассматривается как своего рода субмодуль) грузоне-сущего модуля, можно существенно расширить эксплуатационные возможности САТС. Для перевозки длинномерных материалов (леса, труб и пр.) целесообразно оборудовать шасси четвертой осью, которая может быть и ведущей, и не ведущей.

3. В зависимости от конструкции шасси могут быть пересмотрены основные эксплуатационные характеристики грузонесущего модуля - мощ-ностные, скоростные и пр. Оптимальные их значения определяются расчетом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Грифф. М.И. Проблема перспективного развития специализированного автотранспорта для строительства. - М.: ЦНИИОМТ, 1998.

2. Васильев А.Л. Модульный принцип формирования техники. М.: Машиностроение, 1982.

3. Антипенко В.С., Кац Г.Б., Петрушев В.А. Модели и методы оптимизации параметрических рядов машин. М.: Машиностроение, 1990.

4. Автомобили. Основы проектирования.//М.С. Высоцкий, А.Г. Выгонный, Л.Х. Гилелес, С.Г. Херсонский. Под ред. М.С. Высоцкого. - Мн.: Высшая школа, 1987.

5. Кайданов ОМ. Создание специализированных автомобилей на полноприводном шасси с использованием принципа сменности грузонесущих платформ. - Горный журнал, 1997, № 8. С. 29-32.

w

Кайданов Олег Маркович I енера.п.ный дирекюр ООО Ура.к\шо СПб».

Кулешов Алексей Алексеевич профессор, доктор технических наук, Санкч-