16УДК 614.846.6
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ АВТОЦИСТЕРН ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО ТРАЕКТОРИИ «ПЕРЕСТАВКА»
Кулаковский Б Л., к.т.н., доцент, Томчук С.Л.
Исследовано поведение жидкого груза при движении автоцистерны по траектории «Переставка». Определены величины моментов ударного взаимодействия жидкости с емкостью на участках траектории.
Для изучения процессов, связанных с перемещением жидкости в цистерне при движении автомобиля по дорогам, была разработана и изготовлена специальная установка (Рис. 1). Состоит она из цистерны, закрепленной на монтажной раме и измерительно-регистрирующей аппаратуры. Для определения сил взаимодействия жидкости со стенками цистерны во время движения автомобиля применялись балочные тензоэлементы, позволяющие измерять моменты, возникающие в продольном и поперечном направлениях. Установка опорой крепиться к грузовой площадке автомобиля УАЗ-452Д.
На этой опоре закреплены две тензобалочки для измерения момента взаимодействия жидкости со стенками цистерны в продольном направлении. Поверх тензобалочек закреплена рама, на которой установлены тензобалочки для определения бокового опрокидывающего момента Мб. Цистерна закреплена на монтажной раме стяжными хомутами. Для регистрации боковых и продольных ускорений при маневрировании автомобиля установлены тензометрические акселерометры АТ-1. Угол О и скорость поворота рулевого колеса О определяется с помощью потенциометриче-ского датчика, ось которого посредством резиновой трубки, соединена с валом сошки руля. В ходе эксперимента исследуемые параметры регистрировались с помощью тензоусилителя «ТОПАЗ-1» и светолучевого осциллографа «НОЧ 1У4-2». Для удобства работы и обслуживания осциллографа усилитель и другие приборы размещались в кабине водителя. На каждой тензобалочке клеем «Циакрин Э.О.» были рприкреплены тензорези-сторы типа 2 ФКПА-20-200 х В с последующей герметизацией эпоксидным клеем.
Для измерения бокового момента Мб тензорезисторы размещались на двух консольных балках и включались в один полный тензомост, что позволяло в ходе эксперимента регистрировать сигналы, соответствующие усредненному значению сил, действующих на обе балки.
Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки
Точно таким же образом измерялся продольный момент М\. Для измерения угла и скорости поворота рулевого колеса была собрана мостовая схема, составленная из двух переменных резисторов, один из которых выполнял роль датчика, а другой служил одновременно в качестве вспомогательных плеч моста и балансировочного устройства. Регулировка чувствительности мостовой схемы производилась с помощью реостата. Блок-схема измерительной установки показана на рис. 2.
ТМ Мб; ТМ М\; ТМ Рн - тензомосты для измерения боковых и продольных моментов сил;
АТб, АТ\ - акселерометры для измерения боковых и продольных ускорений;
ПМ- потенциометрический мост;
АЭ - аккумуляторный элемент;
^-аккумуляторная батарея.
Движение осуществлялось по траектории, включающей прямолинейный участок, переходные кривые, участок кругового движения. При испытаниях левое переднее колесо направлялось по отмеченной на поверхности дороги траектории. Параллельно с осциллографированием исследуемых процессов проводилась киносъемка поведения жидкости в цистерне при движении автомобиля по заданной траектории. Съемочная камера была установлена в кабине водителя с таким расчетом, чтобы через заднее окно была видна прозрачная стенка цистерны.
ттГО
пм{Щ Й
ТМ Мб\ ТМ Ме\ ТМ Рн - тензомосты для измерения боковых, продольных моментов и вертикальных сил.
АТб\ АТе - акселерометры для измерения боковых
и продольных ускорений.
ПМ- потенциометрический мост.
АЭ - аккумуляторный элемент.
АБ - аккумуляторная батарея.
Рис. 2. Блок-схема измерительной установки
Перед троганием автомобиля с места одновременно включались в работу кинокамера и осциллограф. Киносъемка и осциллографирование велись на протяжении всего отрезка времени, в течение которого совершался испытательный цикл движения автомобиля по заранее разработанной схеме: движение автомобиля по прямой с разгоном до необходимой скорости - движение по заданной траектории - выход на прямую. Аппаратура выключалась по завершению испытательного цикла (выход на прямую). Исследование устойчивости автомобильной цистерны в дорожных условиях осуществлялось при движении автомобиля по траектории «переставка» по схеме: движение по прямой - поворот - обратный поворот -выход на прямую (рис. 3). Выбор указанной траектории не случаен. Так, практика эксплуатации пожарных автоцистерн показывает, что преобладающее число случаев их опрокидывания происходит при движении на
большой скорости при повороте и обратном повороте. Испытания по траектории «переставка» позволяют произвести сравнительную оценку сил взаимодействия жидкости со стенками цистерны в процессе поворота и обратного поворота с выходом на прямую. Киносъемка наглядно показывает, что при повороте не полностью заполненной цистерны жидкость занимает наклонное положение, центр ее тяжести смещается, а при обратном повороте происходит накат с ударным взаимодействием жидкости в противоположную стенку цистерны.
Траектория «переставка» имеет следующие участки: равноускоренное движение по прямой, Ra = оо движение по кривой переменного радиуса, Ra ^ const, Dk = const; где - скорость поворота рулевого колеса.
круговое движение в повороте, Ra = const, Dk = О переход в обратный поворот, Ra ^ const, Qk = const круговое движение обратного поворота, Ra = const, 'Qk = О выход на прямую, Ra # const, Dk = const движение по прямой, Ra = оо.
Кадры киносъемки и осциллограмм привязаны к соответствующим точкам траектории. Материалы исследования (осциллограммы, кинопленка) показали поведение жидкости и величины моментов взаимодействия жидкости с внутренней полостью цистерны на отдельных участках траектории. В точке А на ровном горизонтальном участке дороги цистерна находится в состоянии покоя, зеркало жидкости горизонтально. На первом кадре осциллограммы (Рис. 4) видны нулевые линии регистрируемых про-
Я/м I I I
/Л^ОСШГПС7С>:
А/е. /мм ~
/а/а/ - //мм Уе У/т ~
/мм Я. 1'мм - 4,5°
цессов: продольного момента Ме, бокового ускорения продольного ускорения - JQ; бокового момента Мб, положение рулевого колеса (Руль).
На участке 2-5 (автомобиль входит в поворот) жидкость перемещается в противоположную сторону от поворота и вперед (рис. 5).
а) б)
Рис. 4. Осциллограмма и положение жидкости в цистерне при стоянке автомобиля в точке А траектории.
а) б)
Рис. 5. а) - шестой кадр осциллограммы, б) - кинокадр положения поверхности жидкости при переходе к круговому движению на участке 2-5.
На кадрах осциллограмм величина Ме меняется вместе с что свидетельствует о появлении силы, направленной вдоль оси автомобиля, вызванной изменением кривизны траектории. Величина момента Мб начинает возрастать вместе с что объясняется движением жидкости к боковой стенке цистерны. При просмотре кинокадров этого участка видно неуста-
новившееся движение жидкости вперед и к боковой стенке. При входе автомобильной цистерны в поворот, кроме момента взаимодействия жидкости с боковой стенкой цистерны, действуют инерционные силы, возникающие из-за непрерывного изменения центра поворота, уменьшения радиуса поворота и, как следствие, увеличение угловой скорости поворота автомобильной цистерны. Таким образом, при повороте управляемых колес во время движения автомобиля жидкость перемещается в цистерне во взаимно перпендикулярных направлениях. Действие бокового ускорения 1б вызывает движение волны к боковой стенке, а действие продольного ускорения ]е - движение жидкости к передней торцовой стенке цистерны. Экспериментальные исследования поведения жидкости на участке 2-5 проводились с изменением расстояния между центром тяжести цистерны и серединой заднего моста автомобиля. Полученные результаты показали, что с увеличением этого расстояния при входе автомобиля в поворот происходит рост значений продольного ускорения ]е и продольного момента Ме. Скорость движения волны в продольном направлении также возрастает. На участке траектории с постоянным радиусом (участок 5-6) величины Мб и 1б в течение всего времени поворота остаются практически неизменными. Величины Ме и ]е также не меняются. При большой продолжительности кругового движения колебания жидкости прекращаются.
Рис. 6. а) - девятый кадр осциллограммы, б) - кинокадр положения жидкости в обратном повороте автомобиля на участке 7-8.
а) б)
Рис. 7. а) - одиннадцатый кадр осциллограммы, б) - кинокадр процесса движения отраженной волны в обратном направлении на участке траектории 9-10.
Свободная поверхность принимает наклонное положение под определенным углом к горизонту.
На участке траектории 6 - 7 в момент начала обратного поворота автомобиля жидкость перемещается в поперечном направлении к противоположной боковой стенке цистерны. Из рис. 6. видно это движение. Происходит незначительное перемещение жидкости вперед, сопровождающееся малым ростом величин Ме и ]е. При дальнейшем повороте рулевого колеса происходит увеличение наката волны на противоположную боковую стенку цистерны. Основные массы жидкости, перемещаясь в сторону действия бокового ускорения ]е поднимаются вверх, увеличивая величину бокового момента Мб. Величина Мб увеличивается синхронно с боковым ускорением ]6. На участке 9-10 траектории в положении обратного поворота автомобильной цистерны (Рис. 7) происходит дальнейший рост значений Мб и Здесь момент Мб боковое ускорение имеют максимальное значение. Волна, накатываясь вверх, отражается от стенки и крыши цистерны и движется в ее верхней части в обратном направлении. В девятом кадре осциллограммы видны резкие колебания величины Мб, что свидетельствует о наличии сильных турбулентных потоков движения. Происходит интенсивное перемешивание жидкости с воздушными массами, сопровождающееся повышением давления в верхней части внутренней полости.
Из осциллограмм видно, что величина Мб в обратном повороте больше Мб поворота в среднем на 40%. С увеличением скорости движения
автомобиля по указанной траектории величина Мб возрастает, как в процессе поворота, так и в обратном повороте. Характер изменения Мб в повороте и обратном повороте различный и показан на графике (Рис. 8). Из графика видно, что с увеличением скорости движения автомобиля крутизна возрастания величины Мб в обратном повороте больше, чем в повороте.
Рис. 8. Зависимость опрокидывающего момента жидкости Мб от скорости движения автомобиля Уа.
Для сравнительного анализа величины Мб поворота и обратного поворота на уровне зеркала была установлена заслонка, обеспечившая неподвижность центра тяжести. При неподвижном центре тяжести величина Мб имеет меньшие значения по сравнению со случаем, когда она имеет свободную поверхность. На рис. 8 величина Уу при различной скорости движения автомобиля в повороте показывает ту долю опрокидывающего момента Мб, которая создается за счет смещения центра тяжести жидкости в вертикальной и горизонтальной плоскостях:
7У] = Мб1-Мн.ц. (1)
Величина Уу2 показывает ту долю опрокидывающего момента Мб2, который возникает при образовании волны и ударном взаимодействии ее со стенкой цистерны в обратном повороте автомобиля:
7у2 = Мб2-Мб1 (2)
Значение момента Мн,Цт в повороте и обратном повороте при различной скорости автомобиля равны между собой. С уменьшением скорости движения автомобиля значения Мб поворота и обратного поворота приближаются друг к другу. Следовательно, с ростом скорости движения автомобильной цистерны опасность ее опрокидывания увеличивается быстрее в процессе обратного поворота, чем в повороте. Сравнительный анализ показал, что величина Мб в повороте автомобиля равна - 157 Нм, в обратном повороте - 217 Нм. Отсюда величина Мб обратного поворота по сравнению с поворотом больше чем на 38 %.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Поперечную устойчивость автоцистерны при частичном заполнении емкости жидким грузом необходимо определять при круговом движении автомобиля, когда центр тяжести жидкости смещен, создавая дополнительный опрокидывающий момент и по траектории «переставка» с участками поворота и обратного поворота, когда жидкость находится в движении и ударном взаимодействии со стенкой цистерны.
2. Наибольшая опасность опрокидывания автомобильной цистерны возникает при обратном повороте траектории «переставка», и величина опрокидывающего момента ударного взаимодействия жидкости со стенкой цистерны зависит от формы, размеров емкости и степени ее заполнения.
3. Установка в цистерне продольных вертикальных перфорированных волноломов ограничивает перемещение жидкости, что повышает устойчивость автомобиля.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кулаковский Б.Л.. Обеспечение безопасности и безотказности пожарных автоцистерн. Мн, УП. Технопринт. 2002, 228 с.
