CC BY
89
ДИСКУССИОННЫЙ КЛУБ
УДК 614.8:623
В.Ф. Кушляев, А.В. Яблокова
К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ПРОДОЛЬНОЙ И ПОПЕРЕЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ СПЕЦИАЛЬНЫХ МАШИН ПОВЫШЕННОЙ ПРОХОДИМОСТИ
В статье рассмотрены схемы сил, действующих на неподвижную гусеничную машину на подъёме и уклоне, а также на опорной поверхности с поперечным уклоном. Приведены методы экспериментального определения координат центра тяжести машины, статических углов продольной и поперечной устойчивости. Даны рекомендации по повышению устойчивости машин для чрезвычайных ситуаций.
Ключевые слова: продольный уклон; поперечный уклон; продольная устойчивость; поперечная устойчивость; координаты центра тяжести машины; углы устойчивости машины; повышение устойчивости машины.
V. Kushljaev, A. Yablokova
THE EVALUATION OF LONGITUDINAL AND LATERAL STABILITY OF SPECIAL
OFF-ROAD MACHINES
In the article the diagram the forces acting on a fixed track-type car on uphill and downhill as well as on the supporting surface cross slope. It is provided with methods for the experimental determination of the coordinates of the Centre of gravity of the machine static corners longitudinal and lateral stability. Recommendations to enhance the sustainability of machines for emergencies.
Keywords: longitudinal gradient; cross slope; longitudinal resistance; lateral stability; the coordinates of the Centre of gravity of the machine; the machine stability; angles increase the stability of the machine.
Академией гражданской защиты МЧС России и заводом ООО «ЕЗСМ «Континент» с использованием своего опыта и опыта ряда заводов и научных коллективов выполнена классификация и систематизация образцов машин повышенной проходимости, в основном гусеничных, выпускаемых заводами и находящимися в научно-технической проработке. При этом были проанализированы машины отечественных и зарубежных заводов и фирм. В результате настоящей работы были подготовлены проспект и презентационный фильм, в которых предприятиям МЧС России и другим заинтересованным организациям было предложено более 30 различных машин повышенной проходимости. Указанные проспект, фильм, а также макеты и плакаты машин были представлены на Международный салон «Комплексная безопасность 2014», который состоялся в мае 2014 г. в Москве.
Область применения машин повышенной проходимости, особенно гусеничных и колесно-гусеничных, очень обширна. Настоящие машины, наряду с использованием их для нужд МЧС России
крайне необходимы для изучения, освоения и обеспечения жизнедеятельности районов Арктики, Крайнего Севера и удалённых труднодоступных мест различных регионов. Данные машины необходимы также для обслуживания различных отраслей народного хозяйства.
Специальные требования к конструкции машин повышенной проходимости, сложные экстремальные технологические процессы, которые они выполняют, тяжёлые грунтовые и климатические условия их эксплуатации требуют системного подхода при оценке их качеств. Оценка качества всего многообразия специальных машин повышенной проходимости была выполнена по их конструктивным параметрам и эксплуатационным свойствам.
Безопасность движения указанных машин в большой степени связана с их продольной и поперечной устойчивостью. Известно, что около 15 % всех дорожно-транспортных происшествий в нашей стране составляют случаи опрокидывания автомобилей при движении по дорогам общего пользования.
Специальные гусеничные машины повышенной проходимости предназначены для движения в основном по бездорожью, сильно переувлажненной и пересечённой местности, глубокому снежному покрову, местности, имеющей значительные уклоны. В связи с этим одним из основных эксплуатационных показателей проходимости данных машин является устойчивость, которая характеризует способность машины работать в условиях бездорожья на продольных и поперечных уклонах без опрокидывания. Это эксплуатационное свойство обеспечивает безопасность экипажа, пассажиров и сохранность перевозимого груза (рис. 1).
Рис. 1. Специальная машина повышенной проходимости для перевозки контейнеров на базе
двухзвенного гусеничного шасси
Устойчивостью автомобиля называют его свойство сохранять направление движения, противостоять опрокидыванию и поперечному скольжению. Различают продольную и поперечную устойчивость.
В настоящей работе отражается актуальность теоретической и экспериментальной оценки продольной и поперечной устойчивости машин повышенной проходимости, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях бездорожья. Материал статьи содержит основные аспекты теоретико-экспериментального определения углов устойчивости и координат центра масс машины.
Методика оценки устойчивости машины была использована при испытании экспериментального образца транспортно-технологической машины.
Необходимо отметить, что ряд вопросов обеспечения устойчивости машин повышенной проходимости, особенно шарнирно-сочленённых, требуют дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.
Вопросы оценки продольной и поперечной устойчивости различных транспортных средств отражены в трудах отечественных ученых Литвинова А.С., Фаробина Я.Е., Платонова В.Ф., Гладова Г.И., Вихрова А.В. и многих других [1, 2, 4].
Продольная устойчивость. При движении на подъём опрокидывание наступает тогда, когда передние опорные катки или колеса машины полностью разгружаются. Весь вес машины воспринимается задними опорными катками или колесами. В этом случае опрокидывание в основном определяется координатами центра тяжести машины и расстоянием между осями гусениц или колес. При движении машины передним ходом её продольная устойчивость снижается под действием момента сопротивления движению. Многие существующие образцы гусеничных машин повышенной проходимости могут работать на склонах крутизной до 35°, на участках с ровным микрорельефом и при ограниченной скорости движения. Схема сил, действующих на неподвижную гусеничную машину: а - на подъёме; б - науклоне, приведена на рис. 2.
Для теоретического расчета продольного угла устойчивости для гусеничных машин повышенной проходимости используя предложения различных авторов [1, 2, 3, 4, 5] получены формулы, учитывающие технические параметры и условия эксплуатации машин.
а б
Рис. 2. Схема сил, действующих на неподвижную гусеничную машину: а - на подъёме; б - на уклоне
Поперечная устойчивость. Более вероятна и опасна потеря машиной поперечной устойчивости. Поперечная устойчивость транспортных средств и специальных машин является одним из важнейших показателей безопасности, оценке которого придаётся большое значение.
При стоянке машины на поперечном уклоне одна из боковых сторон разгружается. При полной разгрузке одной из сторон наступает опрокидывание, которое во многом зависит, например, от ширины колеи и вертикальной координаты центра тяжести. Причинами возникновения
опрокидывания могут быть: поверхность дороги (опорная поверхность), боковой уклон, превышающий допустимый; отклонение машины от прямолинейного движения, которое может быть вызвано поперечной (боковой) силой, приложенной к гусеницам или колесам; (боковые силы могут быть вызваны единичными препятствиями), переувлажнённый грунт (при движении по бездорожью) и другими внешними причинами. Следовательно, на машину при движении, кроме продольных тяговых или тормозных сил, могут действовать также и боковые силы (рис. 3). Поперечная устойчивость колесных и гусеничных машин характеризуется величинами предельных углов в, при которых машины могут стоять, не опрокидываясь.
/
Рис. 3. Схема сил, действующих на машину на опорной поверхности с поперечным уклоном
Используя предложения различных авторов [1, 2, 3, 4, 5], получены формулы для теоретического расчёта поперечного угла устойчивости для гусеничных машин повышенной проходимости, учитывающие технические параметры и условия эксплуатации машин.
В процессе создания специальных гусеничных машин повышенной проходимости разработаны методы экспериментального определения координат центра тяжести и оценки устойчивости и оформлена методика, которая использовалась для испытания машин.
Методика экспериментального определения углов статической устойчивости. Для определения угла продольной или поперечной (в зависимости от ориентации машины на платформе) устойчивости включается привод подъёма крана для наклона платформы с машиной относительно оси опрокидывания платформы. Угол наклона платформы, при котором произошёл отрыв от опорной поверхности хотя бы части гусеничной ленты, является углом устойчивости для данного состояния и ориентации машины. Момент отрыва гусеничной ленты от опорной поверхности платформы фиксируется визуально, а угол наклона платформы при отрыве - по указанию угломера, установленного на платформе. Если центр тяжести машины не лежит в вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось машины, угол поперечной устойчивости следует определять при опрокидывании машины в сторону рабочей зоны, например манипулятора. С помощью настоящей методики можно оценивать устойчивость машины в зависимости от угла расположения передней и
задней части шасси. Результаты определения углов статической устойчивости заносятся в протокол испытаний [3].
Методика определения центра тяжести. Продольную и поперечную координаты центра тяжести машины определяют методом поосевого и побортового взвешивания на автомобильных весах соответствующей грузоподъёмности [3].
Расстояние от центра тяжести до вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось машины (поперечная координата центра тяжести), определяется из выражения:
г _ £(Спр - Сл) (1)
2 С
где Спр и Сл - массы, приходящиеся соответственно на правый и левый борта машины, кг;
В - ширина колеи машины, м.
Высота центра тяжести машины (вертикальная координата) определяется по углу поперечной статической устойчивости и в общем случае с учётом крена подрессоренной части машины будет составлять
В/2±1 (2)
Н =
Ьдср
где ф — угол поперечной статической устойчивости, град.
Расстояние от центра тяжести до вертикальной плоскости, проходящей через ось передних опорных катков (продольная) координата центра тяжести определяется из выражения
а = — (3)
где О—масса машины, кг;
О3 -масса, приходящаяся на заднюю балансирную ось, кг;
Z -база машины, м.
Вопросы устойчивости машин повышенной проходимости при поворотах и движении, особенно на повышенных скоростях, будут даны авторами после обработки экспериментальных данных.
Рекомендации повышения устойчивости машины. Рекомендации повышения устойчивости машины разработаны на основании материалов испытаний машин и изучения информации в печати [1, 2, 3, 4, 6]. По результатам эксплуатационных испытаний машин были разработаны и прошли проверку различные опорные катки и гусеницы. На основании этого были установлены наиболее рациональные параметры катков (диаметр, ширина, форма протектора, материал катков, геометрия и конструкция) и гусениц (ширина, конфигурация и материал), обеспечивающие повышение устойчивости и проходимости машин и снижение поперечного сползания машин на уклонах. В отдельных машинах были использованы аутригеры, обеспечивающие их устойчивость в условиях бездорожья и уклонов. Число аутригеров составило от 2 до 4 в зависимости от назначения машины. Кинематика и конструкция аутригеров обеспечивала их функционирование в пределах габарита машины по ширине или с выходом за габарит.
Ряд конструктивных решений, в том числе кинематика, геометрические параметры и материал аутригеров, катков и гусениц рассматриваются на предмет оформления заявок на патентование.
1. Одними из эффективных способов повышения устойчивости машины как в продольном, так и в поперечном направлении являются понижение её центра тяжести и уменьшение дорожного просвета в результате применения более совершенных конструктивных решений, рациональной компоновки технологического оборудования, оптимального размещения груза при эксплуатации.
2. Повышение устойчивости машины может быть достигнуто за счёт использования рациональной компоновки шасси (2-, 4-гусеничного), применения более совершенных технических решений ходовых систем и их соединения между собой.
3. При определении критического угла подъёма необходимо учитывать, что на устойчивость машины большое влияние оказывает сила тяги на крюке.
4. Повышение поперечной устойчивости машины при работе на уклонах и снижение поперечного сползания машин может быть достигнуто за счёт применения специальной конструкции опорных катков и гусениц специальной конфигурации, в том числе ассиметричных.
5. Поперечное скольжение машины на уклонах может быть снижено за счёт:
применения гусениц специальной конфигурации и дополнительных грунтозацепов, расположенных в основном под углом 90° к продольной оси траков;
оптимального увеличения колеи машины.
6. Повышение поперечной устойчивости машины при работе на переувлажненных грунтах и при глубоком снежном покрове может быть достигнуто за счёт:
оптимального увеличения колеи машины;
применения аутригеров специальной кинематики и конструкции, учитывающей их применение в условиях бездорожья и глубокого снежного покрова;
переноса, например, манипулятора, рабочего органа при эксплуатации машины в обратную сторону от опрокидывания.
7. В кабине должен быть установлен креномер со световой и звуковой сигнализацией, предупреждающей машиниста о предельном угле уклона машины. Креномер может быть встроен в систему управления.
Литература
1. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств.-М.: Машиностроение, 1989.-240 с.
2. Многоцелевые гусеничные шасси / Под ред. В.Ф. Платонова. М: Машиностроение, 1998. 342 с.
3. Кушляев В.Ф. и др. Обоснование основных параметров базового шасси лесных машин. Отчёт по НИР. № 12-89, ЦНТОлеспром, 1989.
4. Гладов Г.И., Вихров А.В., Зайцев С.В. и др. ; под ред. Гладова Г.И. Конструкции многоцелевых гусеничных и колесных машин: учебник для студ. высш.учеб. заведений / - М.: Издательский центр «Академия», 2010. - 400 с.
5. Интернет ресурс: http://info-tehnika.ru (дата обращения: 09.09.2014).
6. Кушляев В.Ф. Обоснование норм надежности гусеничной машины повышенной проходимости. V Всероссийская научно-практическая конференция. «Надёжность и долговечность машин и механизмов». ФГБОУ ВПО Ивановский институт ГПС МЧС России. Сборник материалов. Иваново, 2014, с.126 - 131.
