CC BY
25
УДК629.1.032.001
Р.Ю.Добрецов
К ВОПРОСУ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ШАССИ ТРАНСПОРТНЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН
Эксплуатационными свойствами транспортной машины в общем случае называют свойства, характеризующие выполнение ею работ, для которых она предназначена (перевозка груза и пассажиров, обеспечение условий для работы установленного на шасси оборудования и др.). Эти свойства определяют приспособленность машины к условиям эксплуатации и эффективность ее использования. В первую очередь эффективность применения ТГМ оценивалась по параметру подвижности (например, по скорости, с которой ТГМ перемещается между двумя заданными точками на местности). В современных условиях, когда увеличивается перечень выпускаемых типов ТГМ народно-хозяйственного назначения, становится необходимым оценивать также экономичность, экологичность, управляемость, маневренность и другие эксплуатационные свойства.
Целесообразно использовать методику, позволяющую произвести сравнительную количественную оценку образцов или проектов шасси ТГМ. Это даст возможность упростить и обосновать принятие решений по конструкции узлов и агрегатов в составе шасси, уменьшить затраты на изготовление макетных образцов и испытания. Кроме того, сравнительная оценка вариантов конструкции позволит решить, насколько значимы предлагаемые изменения узлов и агрегатов с точки зрения эффективности работы шасси в целом.
Шасси ТГМ включает в себя силовую установку, трансмиссию и ходовую часть. Очевидно, что отдельные системы, составляющие шасси, могут работать в различных режимах. Для некоторых режимов можно выделить процессы, определяющие в данных конкретных условиях эффективность работы агрегатов и систем. При изменении условий движения машины выделенный процесс перестает быть определяющим, сопровождающие его эффекты «теряются» на фоне текущего энергетического баланса системы.
Например, качение шасси при действии малых удельных сил тяги (/д <0,12) сопровождается интенсивными колебаниями траков под опорным катком, что связано со значительными потерями энергии и другими негативными последствиями. Такой режим движения достаточно типичен для быстроходной ТГМ, что не позволяет пренебречь им. Однако при буксовании движителя эффект неустойчивости траков перестает быть значимым. В пределе наступает потеря подвижности машины, и можно говорить о том, что КПД шасси стремится к нулю.
Из этого следует, что для сравнительной оценки энергозатрат в шасси различных машин недостаточно сложить относительные потери мощности (или перемножить значения КПД) агрегатов, выбрав некоторые «среднестатистические» условия движения ТГМ. Следует учесть специфику работы узлов, агрегатов и систем на различных режимах и выбрать методику, позволяющую получить количественную и объективную оценку энергозатрат в шасси. Такая методика, которая должна опираться на систему показателей эффективности подсистем, позволяющую в комплексе оценить уровень потерь мощности в шасси и (в частности) рациональность конструкции ходовой системы с точки зрения условий формирования тягового усилия и уровня воздействия на опорное основание, не предложена.
Сейчас возможности по форсированию силовой установки практически исчерпаны, а серийное производство новых, более мощных двигателей для военно-транспортных машин не начато. Поэтому обостряется проблема минимизации потерь мощности в узлах шасси ТГМ и выявления наиболее рациональных путей реализации тягового усилия. Кроме того, все более существенную роль начинают играть легкие быстроходные ТГМ гражданского назначения, для которых вопросы экономичности и экологично-сти принципиально важны.
Таким образом, исследования, связанные с разработкой системы объективной количественной комплексной оценки эксплуатационных свойств ТГМ, — актуальны в теоретическом и практическом плане.
Разработанная методика оценки эксплуатационных и технических характеристик шасси ТГМ комплексно учитывает количественные технические (конструктивные) параметры шасси, определяющие потери мощности, эффективность формирования тяговых сил на опорной поверхности машины, экологические показатели и т. д. С помощью предлагаемой методики проводился анализ типичных конструкций базовых шасси современных ТГМ и выявлялись перспективные пути комплексной модернизации конкретных образцов шасси с целью снижения потерь мощности и улучшения других технических и эксплуатационных характеристик.
Применительно к транспортным машинам в настоящее время предложены три основных подхода к построению обобщенного показателя, характеризующего уровень эксплуатационных свойств.
Традиционно для транспортной техники эффективность работы и уровень эксплуатационных свойств определяется спецификой маршрутов и расчетными объемами перевозок [1] или величиной удельной условной грузоподъемности [2].
Постановка и решение прямой задачи оптимизации [3,4] не представляются неразрешимыми, но сопряжены с преодолением весьма сложных проблем. Главная из них — предложить целевую функцию (или функционал). Кроме того, потребуется: доказать, что минимума (максимума) целевой функции можно достигнуть, оставаясь в реальных пределах изменения эксплуатационных и технических параметров; преодолеть проблему взаимозависимости отдельных параметров; учесть дискретность изменения параметров; выбрать метод решения задачи. Решение задачи оптимизации требует рассмотрения изменений состояния изучаемого объекта при варьировании значений параметров. В идеале для проверки принятых решений требуется провести серии дорогостоящих экспериментов. Остается проблематичным распространение результатов решения задачи на другие образцы шасси. В связи с перечисленными трудностями практического распространения такой подход не получил.
Более распространены методы экспертных оценок (МЭО) [5, 6]. Методы этой группы несвободны от субъективности, так как вклад каждого частного параметра в значение общего показателя существенно зависит от величины весового коэффициента. Кроме того, метод требует привлечения большого количества независимых друг от друга высококвалифицированных специалистов, на что трудно рассчитывать при проектировании и эксплуатации шасси ТГМ. Предлагаемый в работе [7] метод получения интегрального показателя подвижности транспортной машины, в сущности, является разновидностью МЭО. В этом случае итоговый показатель формируется как интегральное среднее частных показателей.
Математическую основу разработанного метода оценки составляет аппарат использования обобщенной функции желательности [5, 8]. Режимы работы сравниваемых шасси выбраны на основании статистики ОАО «ВНИИ транспортного машиностроения»: прямолинейное движение в транспортном режиме (коэффициент сопротивления качению/= 0,08, скорость движения У— = 6,5 м/с); поворот (коэффициент сопротивления повороту р,тах = 0,7, относительный радиус поворота р = 10, скорость V= 1 м/с); тест на положительное смещение траков проводится на бетонной плите.
Введена система частных показателей (рис. 1) узлов и агрегатов шасси.
Комплексный показатель подвижности шасси определяет эффективность работы агрегатов на различных нагрузочных режимах (введен А. П. Со-фияном, А.И. Мазуром). Показатель подвижности представляет собой соотношение скоростей движения ТГМ на грунте (в рассматриваемых условиях) и на бетонной трассе. Таким образом, его значение позволяет расчетным путем оценить возможную в заданных условиях скорость движения ТГМ. Показатель подвижности разбивается [9] на более простые безразмерные компоненты: nF =ПлПд,Пу. Здесь Пл — показатель потерь мощности в узлах шасси; Пд, — показатель полноты использования мощностного диапазона двигателя; П' — показатель уровня сопротивления прямолинейному движению.
Показатель потерь мощности в узлах шасси представляет собой отношение КПД шасси при
качении по грунту и по бетону: Пд, = u/u
Частные показатели эффективности работы шасси транспортной гусеничной машины
о ж 3 о
*
о С
2 2
1 X)
X
2 Я
Ч
£ I
2 Н О
а с о
о С
Эффективность работы при среднестатистических нагрузках
о ж я 2 : я о а о 3
>3 о ж а о в о
0
1 Е-
о
з а
Эффективность работы при малых силах тяги
а о о
X) X)
6 ■X
а о С
2
Я ~
х> 3
а э
>, 3
о С
3
£ я Я ь
Интенсивность воздействия на опорное основание
я
а я
5 §
о я
ж з
я а
з о
н а
■X а
Х> х>
-Э* ^
-Э- §
Л 3
>3 о ж
О и
а "
а о
о 82 ° з я
Эффективность работы агрегатов при повороте
Рис. 1. Частные показатели эффективности работы систем шасси ТГМ
Показатель полноты использования мощности представляет собой соотношение потребных мощностей на грунте и бетонной трассе:
Показатель уровня сопротивления прямолинейному движению представляет отношение функций сопротивления движению на грунте и на не-
деформируемом основании: = (1 -8)/'. Здесь у — значение функции относительного сопротивления движению для случаев движения по грунту и по недеформируемому основанию; 8 — коэффициент буксования для рассматриваемых условий.
Показатель виброактивности гусеницы позволяет оценить неустойчивость траков при прохождении опорного катка по величине угла поворота
звена ф(-: Пф = -
тах {ф/(Грасч)}
тах Ь( = 0)}
Здесь ф;-(Гг
расч
значение угла поворота звена за время прохождения катка при действии расчетного натяжения в рабочей ветви (статистика показывает, что средняя скорость движения ТГМ при удельном тяговом усилии 0,10—0,12 составляет 9,2 м/с);
Ф;( Т= 0) — значение угла поворота звена при нулевом натяжении гусеницы (стендовые условия).
Показатель относительных потерь мощности в опорной ветви движителя при малых удельных тяговых усилиях. Колебания траков при прохождении опорного катка сопровождаются дополнительными потерями мощности AN [10]. Оценивать их уровень можно с помощью показателя = ДАу Nут. Здесь N— мощность для перемещения движителя в режиме идеального качения. Величину показателя для различных ТГМ сравнивают при среднестатистической скорости движения (9,2 м/с).
Показатель относительных потерь натяжения в опорной ветви. Перемещения траков приводят к снижению силы натяжения в опорной ветви гусе-
ничного движителя на величину АТ = ^АТ-. Здесь
/=1
Д
цепи под катком у; п — число опорных катков.
Оценивать эффективность формирования тяговых сил позволяет безразмерный показатель Пт = АТ/Тр. Здесь Тр — необходимое по условиям движения натяжение рабочей ветви.
Показатель интенсивности колееобразования. За показатель интенсивности колееобразования предлагается принять отношение Пя = qcp/[q], где qcp =GT/(2Lon£r) — удельное давление под траками, Па (Ст — вес машины, Н; Ьг— ширина гусеницы, м), [q] — величина допускаемого нормального давления). Допускаемое удельное давление можно выбрать исходя из характерных для шасси данной категории по массе или из специальных требований. Если военно-транспортные машины целесообразно сравнивать, используя «коридоры» допускаемых удельных давлений, определенные практикой для различных по назначению машин, то для гражданских транспортеров-болотоходов предлагается выбрать значение \q\ = 0,005 МПа, поскольку при этом удельном давлении не происходит разрушения поверхностного слоя слабых грунтов тундры и лесотундры.
Показатель интенсивности воздействия на деформируемое основание. Эффект юза траков сильно выражен на сыпучих грунтах, снеге, не-деформируемом основании. Величина юза определяется не только геометрическими, кинематическими и силовыми особенностями движителя, но и характеристиками грунта. Поскольку затруднительно оценить потери энергии (и, соответственно, наносимый основанию ущерб [11]), связанные с юзом траков в различных условиях, за безразмерный показатель целесообразно принять отношение положительного смещения трака AL к длине опорной поверхности Lon при движении шасси по недеформируемому основанию: HL = AL/Lon.
Показатель интенсивности воздействия на твердое основание определяется отношением пиковых нагрузок qmax под траками машины к среднему удельному давлению и может быть определен, как П? =q*maJqlp = (Ф/тах)/Ст, где q*cp =
= GT/2br и I/тях =Pj (ф;тах )/26г, Н/м — удельная
нагрузка по ширине гусеницы (/? (ф;тах ) — нормальная нагрузка на трак при наибольшем угле его поворота).
Показатель эффективности работы системы подрессоривания представляет собой отношение средней скорости движения на местности к мак-
симальной скорости движения по асфальтобетонному покрытию: Яэсп = Уместн/Уш. Значения скоростей для различных трасс могут быть определены как расчетным путем, так и по результатам испытаний. Для первичной оценки достаточно принять данные, приведенные в перечне технических характеристик рассматриваемых тгм.
Эффективность работы трансмиссии в режиме поворота [12] в первую очередь характеризуется двумя безразмерными показателями. Относительное увеличение потребной мощности двигателя при повороте — П^ = Nm|Nmap. Относительная мощность, рассеиваемая при буксовании элемента управления — Пэ Использовать для сравнительной оценки число расчетных (фиксированных) радиусов поворота пр в составе модели комплексной оценки энергозатрат в агрегатах шасси ТГМ в принципе возможно, но не рационально. Например, в случае применения многопоточного МП с гидрообъемной передачей можно считать, что пр ^ да. Поэтому предлагается использовать безразмерный показатель, учитывающий число фиксированных радиусов поворота: Пр =1 - 1/яр-
Проведена расчетная оценка эффективности работы шасси серийных машин (рис. 2) и рассмотрено применение метода комплексной оценки для случая модификации гусеничной цепи ходового макета (рис. 3). Проект модернизации основан на предложении заменить штатные траки машины на более легкие сборные траки с неметаллическими вставками (выигрыш по массе 8—10 %), связанные шарниром параллельного типа [ 13]. За счет разнесения грунтозацепов траки обладают повышенной устойчивостью против колебаний и положительного смещения при качении опорного катка по беговой дорожке гусеницы.
Меньшие значения показателя Б для шасси ТГМ №2 (см. рис. 2) объясняется несовершенством конструкции узлов шасси данного образца. Гусеничный движитель дает большие потери мощности при работе машины при малых удельных силах тяги, а также под нагрузкой. Относительно велики потери мощности в вальной трансмиссии. Силовая установка развивает достаточно малую мощность.
Наилучшим оказалось сочетание характеристик шасси ТГМ6, несмотря на малую по со-
¡[ЩЖ
0,00 -I-1-1-1-1-1-—1-1-1-1-1--1-1--1-1-
ТГМ1 ТГМ2 ТГМЗ ТГМ4 ТГМ5 ТГМ6 Шасси
Рис. 2. Расчетные значения комплексного показателя В для серийных шасси (ТГМ Т-72, МТ-ЛБ, БМП-1, Т-80, Т-90, Т-64Б)
временным меркам удельную мощность двигателя. Результат объясняется рациональным сочетанием конструкторских решений, не устаревших и на сегодняшний момент. В принципе шасси № 6 является прототипом для шасси № 1, 4, 5. Предпринятые конструкторами изменения не позволили достигнуть уровня прототипа, хотя шасси ТГМ4 весьма близко к нему по уровню показателя комплексной оценки. Однако это в значительной степени обусловлено установкой мощного, дорогого в эксплуатации и производстве газотурбинного двигателя.
Шасси №5 в рассмотренном («базовом») варианте уступает по уровню потерь мощности шасси №6. Уменьшить потери мощности можно, в частности, установкой на машину движителя с резинометаллическим шарниром (РМШ) параллельного типа. В настоящее время такая гусеница разработана для опытного шасси БМПТ.
Расчеты, проведенные для учебно-ходового макета при серийном исполнении ходовой системы, дают значение комплексного показателя эффективности шасси Б = 0,097. Это ставит машину в один ряд, например, с шасси тягача МТ-ЛБ (/) = 0,086). Учитывая, что для некоторых серийно выпускаемых шасси Б > 0,95, можно говорить о весьма высоком уровне энергозатрат при движении макета. Такая оценка не является
а
БМП-1 Шасси
Рис. 3. Значения показателя эффективности для сравниваемых шасси: БТР-Д ш — шасси с модернизированной гусеницей
случайной — шасси создавалось максимально облегченным (машина предназначена для авиадесантирования), срок эксплуатации может ограничиваться одной боевой высадкой.
Предлагаемая модернизация траков повысила значение показателя комплексной оценки энергозатрат в шасси макета до В = 0,190, что приближается к результатам оценки для серийной машины БМП-1 (Л = 0,200). Таким образом, методика оценки оказывается весьма чувствительной к изменению параметров работы ходовой системы, а влияние предлагаемой модернизации на снижение энергозатрат шасси следует признать значительным.
Выводы
1. На различных нагрузочных режимах работы гусеничного движителя определяющими являются затраты мощности, вызванные протеканием различных процессов. При движении шасси
<
0,15) важную роль играют затраты, связанные с наличием специфического режима работы движителя — «юза», составляющего до 50 % времени движения транспортной гусеничной машины. В работе предложена методика оценки уровня энергозатрат в шасси, позволяющая дать обобщенную оценку эффективности работы шасси на основе объединения показателей эффективности работы составляющих его систем на различных характерных режимах.
2. Определение энергозатрат в движителе обычно требует сугубо стендовых испытаний, связанных с необходимостью вычленения движителя из систем шасси машины. Это затрудняет использование данных, полученных при полевых испытаниях. Предложенная методика оценки позволяет объединить результаты стендовых и натурных испытаний.
3. На основе проведенного анализа методов комплексной оценки параметров работы шасси машин сформулирована система частных показателей, характеризующих энергозатраты при работе систем шасси. Система показателей лежит в основе разработанной методики оценки эксплутационных показателей шасси.
4. Проведенные расчеты позволяют выявить шасси с наименьшим уровнем относительных потерь мощности (среди образцов серийных машин — шасси № 6, соответствующее машине
БТР-Д БТР-Д т МТ-ЛБ
Т-64Б), что дает основание рассматривать отработанные при ее создании базовые решения как весьма перспективные.
5. Расчеты показывают, что шасси современного танка Т-90 (№5) может быть значительно усовершенствовано за счет применения новой гусеницы с РМШ параллельного типа и разнесенными грунтозацепами.
6. Легкая машина БМП-1 (№3) по уровню относительных потерь мощности может рассматриваться как более перспективная по сравнению с базовым шасси Т-72.
7. Предлагаемая модернизация шасси БТР-Д позволит существенно повысить эффективность работы ходовой системы и улучшить «рейтинг» машины с точки зрения оценки энергозатрат в агрегатах шасси.
8. Перспективным путем снижения воздействия гусеничного движителя на почву без уширения гусеницы является увеличение протяженности «активных» участков опорной поверхности (в частности, за счет предложенных в работе мер по стабилизации траков при прохождении опорного катка, использования пневматических гусениц и др.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Платонов, В.Ф. Гусеничные и колесные транспортно-тяговые машины |Текст| / В.Ф. Платонов, Г.Р. Леиашвшш,- М.: Машиностроение, 1986.— 296 с.
2. Фаробин, Я.Е. Оценка эксплуатационных свойств автопоездов для международных перевозок |Текст| / Я.Е. Фаробин, B.C. Шупляков,- М.: Транспорт, 1983.— 200 с.
3. Носов, C.B. Мобильные энергетические средства: выбор параметров и режимов работы через реологические свойства опорного основания |Текст|: монография / C.B. Носов- Липецк: ЛГТУ, 2006.— 228 с.
4. Яскевич, Л.Ф. Расчет полужесткой подвески с наилучшей плавностью хода |Текст| / Л.Ф. Яскевич // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер.: Наука и образование,— 2009. № 4. Том. 2,— С. 81 —85.
5. Орлов, А.И. Теория принятия решений |Текст|: учебное пособие / А.И. Орлов,— М.: Изд-во «Март», 2004,- 656 с.
6. Куляшов, А.П. Экологичность движителей транс-портно-технологических машин |Текст| / А.П. Куляшов, В.Е. Колотилин,- М.: Машиностроение, 1993.— 288 с.
7. Котляренко, В.И. Основные направления повышения проходимости колесных машин |Текст| / В.И. Котляренко,- М.: Изд-во МГИУ, 2008,- 285 с.
8. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при
поиске оптимальных условий |Текст| / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский.— М.: Наука, 1976.
9. Добрецов, Р.Ю. Комплексная оценка потерь мощности в шасси гусеничной машины на этапе проектирования |Текст| / Р.Ю. Добрецов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер.: Наука и образование,- 2009. № 3,- С. 163— 168.
10. Добрецов, Р.Ю. Особенности работы гусеничного движителя в области малых удельных сил тяги |Текст| / Р.Ю. Добрецов // Тракторы и сельскохозяйственные машины— 2009. № 6,— С. 25—31.
11. Добрецов, Р.Ю. Пути снижения ущерба, наносимого опорному основанию движителями с металлической гусеницей |Текст| / Р.Ю. Добрецов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия «Наука и образование»,- 2009. № 2(78).- С. 192—199.
12. Добрецов, Р.Ю. Учет энергетических параметров механизмов поворота при комплексной оценке потерь мощности в шасси транспортных гусеничных машин |Текст| / Р.Ю. Добрецов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия «Наука и образование»,- 2011. № 1,— С. 122-128.
13. Патент 2385815 РФ. МПК B62D 55/20. Гусеничная цепь ходовой части транспортного средства / Добрецов Р.Ю., Семенов А.Г.- №2009109923/11 (013428); за-явл. 18.03.2009; опубл. 10.04.2010,- Бюл. №10.
УДК 629.1.032.001
Е.В. Авотин, Р.Ю. Добрецов
МЕТОДИКА РАСЧЕТА НОРМАЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ НА ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ГУСЕНИЦЫ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ
В теории движения транспортных гусеничных машин обычно принимается, что нормальные реакции на опорной поверхности гусеницы распределены по какому-либо упрощенному за-
кону. Чаще других встречаются варианты эпюры нормальных давлений в виде прямоугольника, треугольника, трапеции. Вместе с тем известно, что форма эпюры радикально отличается от
