CC BY
98
Основные показатели статической устойчивости колёсного трактора на склоне при автоматическом регулировании давления воздуха в шинах
Ю.Г Горшков, д.т.н., профессор, И.Н. Старунова, к.т.н., доцент, А.А. Калугин, к.т.н., В.В. Бакунин, ст. преподаватель, ФГБОУ ВПО Челябинская ГАА
В исследованиях по вопросам повышения безопасности эксплуатации колёсных машин установлено, что улучшение их устойчивости при движении по склонам может быть реализовано путём изменения направления вектора центра тяжести и его координатами [1—4].
Основными показателями, обеспечивающими безопасность движения колёсных тракторов на склонах, являются:
— величина статического угла наклона трактора и статического радиуса колеса;
— величина давления воздуха в шинах трактора;
— величины времени подкачки (выпуска) воздуха в передних и задних шинах колёс трактора.
Известно, что для обеспечения поперечной устойчивости колёсных машин необходимо, чтобы вектор центра тяжести не проходил через критическую точку опрокидывания О (рис. 1) [4]. Однако проведённые ранее расчёты [1] позволяют констатировать, что изменение радиусов колёс по бортам машины значительно влияет на её статическую устойчивость [1]. Для изучения указанных показателей статической устойчивости авторами статьи разработана автоматическая следящая система регулирования давления воздуха в шинах, которая позволяет в зависимости от угла наклона трактора изменять величину статического радиуса колеса [5]. Величина статического радиуса колеса трактора, находящегося на склоне, зависит от ве-
\ \
Рис. 1 - Принципиальная схема изменения радиусов колёс при статическом положении машины поперёк склона:
Оа - вес колёсной машины; гст - статический радиус колеса; Аглев, Агпр. - приращение радиусов колёс; а0 - угол склона
личины давления воздуха в шинах, угла склона и перераспределения веса.
Повышение и снижение давления воздуха в шинах по бортам колёсной машины (до необходимых величин) происходит не мгновенно, а за относительно небольшие промежутки времени. Это обусловлено до некоторой степени постоянством нагрузки (разгрузки) колёс, величиной угла склона, силой инерции при повороте машины, длиной пути, сопротивлением воздуха в каналах устройства, скоростью движения машины, давлением воздуха (газа) в баллоне высокого давления устройства [5].
Материалы и методы исследования. Для решения согласования (по времени) срабатывания автоматической системы по бортам колёсной машины надо определить основные параметры, такие, как объём баллона высокого давления, необходимое давление в нём (для неоднократного подкачивания), время истечения воздуха при различных давлениях, как в шину, так и из шины в атмосферу, и др.
Для этого воспользуемся принципиальной схемой (рис. 2) и определёнными допущениями: перетекание воздуха (газа) происходит без изменения температуры и выделения тепла; оба резервуара считаются жёсткими [6]; перетекание сжатого воздуха (газа) происходит после открытия электроклапана. Для решения поставленной задачи используем основные положения теории движения газов [7, 8].
Основные положения теории движения газов позволили получить математическую модель времени истечения воздуха (газа) из баллона высокого давления 2 через клапан 3 в шину 1:
Рис. 2 - Расчётная схема:
1 - шина (2-й резервуар); 2 - баллон высокого давления (1-й резервуар); 3 - электроклапан высокого давления; 4 - электроклапан выхода воздуха (газа) в атмосферу; 5 - воздуховод
tK =■
к
i
nd 2 од/2 -AP(m) -Pop (
-dm
(m)
(1)
4
где — время перетекания воздуха (газа), с; 1 — диаметр воздуховода, м; Ар(в|)= р1—р2 — разность давлений в резервуарах (от количества перетёкшей массы воздуха); Рср(м) — средняя плотность воздуха (газа), кг/м3;
1
1 + + l
l — коэффициент расхода,
d
учитывающий потери напора (давления) (для задвижки ц«0,7; для круглого отверстия и 0,82); Zq — сумма всех местных гидравлических сопротивлений в трубке воздуховода со стороны резервуара 1 до выхода воздуха (газа) из трубки в резервуар 2;
X — коэффициент трения по длине трубки длиной l и диаметром d.
Выражение (1) позволяет обосновать размеры величин, входящих в эту зависимость. В частности, можно определить диаметр воздуховода, массу перетёкшего воздуха (газа), объём баллона высокого давления и давление в нём, любое время t, необходимое для перетекания массы т воздуха (газа) из 1-го резервуара во 2-й, а также из 2-го резервуара в атмосферу.
С помощью полученной зависимости (1) можно определить временную диаграмму работы автоматической следящей системы регулирования давления воздуха в шинах колёсной машины. Это выражение позволит оптимизировать время работы системы и её основные конструктивные параметры.
Для определения среднего массового расхода воздуха (газа) за время полного перетекания и скорости истечения воздуха (газа) в любой момент времени t(m), предложены следующие равенства:
О - тк • (2) и v - 4 ' Q(m) (3)
Qcp - — , (2) и V(т) -p-~2 , (3)
1к Pop(т) - nd
где Qcp — средний массовый расход воздуха (газа), кг/с;
тк — максимальное значение перетёкшей массы, кг;
(т)
— скорость истечения воздуха (газа), м/с. В качестве примера рассмотрим колёсный трактор МТЗ-80. Для расчёта используем следующие значения: давление в шине Р2(п) переднего колеса 0,14—0,25 МПа; объём шины переднего колеса У2(п) = 78-10-3, м3; давление в шине Р2(з) заднего колеса 0,08—0,14 МПа; объём шины заднего колеса У2(з) = 281-10-3, м3; диаметр воздуховода 1 = 5-10-3, м; длина воздуховода / = 70-10-3, м; длина воздуховода /1=35-10-3, м; объём баллона высокого давления К1 = 7-10-3, м3; давление в баллоне Р1 = 2—4 МПа (рис. 2). Расчёты по вышеприведённым формулам выполнены в программной среде Mathcad 15.0.
Результаты исследования. Для определения величин прогиба шин при различных давлениях и нагрузках воспользуемся формулой, предложенной В.Л. Бидерманом [9]. На рисунках 3 и 4 представлены зависимости изменения прогиба шин (передних и задних колёс) от угла склона (нагрузки) при различных давлениях воздуха (газа) в шинах.
Согласно ранее опубликованным данным, при определённых условиях движения допускается кратковременно превышать нормативные значения рекомендуемых давлений в шинах трактора [10]. Поэтому при построении предложенных графиков расширен диапазон допускаемых давлений воздуха в пневматических шинах колёсного трактора.
Представленные графики показывают, что даже незначительное изменение давления в шинах, например с 0,06 до 0,08 МПа (рис. 3, нагружаемое колесо), при угле склона а =10° (линия 1 и 2) приводит к прогибу около Д^ и 16—17 мм. При разгружении этого же колеса (рис. 3) уменьшение прогиба составляет Д^ и 13—14 мм. Эту же ситуацию можно наблюдать и у передних колёс трактора МТЗ-80 (рис. 4). Полученные расчёты позволяют констатировать, что изменение давления воздуха в шинах даёт возможность регулировать направление вектора центра тяжести в более безопасное положение.
нагружаемое колесо
разгружаемое колесо
Рис. 3 - Графики изменения прогиба (И) шин задних колёс трактора МТЗ-80 от угла склона (а0) и нагрузки (С) при различных давлениях в них: 1 - 0,06 МПа; 2 - 0,08 МПа; 3 - 0,1 МПа; 4 - 0,12 МПА; 5 - 0,14 МПа; 6 - 0,17 МПА
1
1
нагружаемое колесо
Ь, мы
30 25 20 15 10 5
1
2
3 4~~
V
0 10 15 20 25 6,16 479 4,45 3,23 2,46 разгружаемое колесо
зо
1.54 О.кН
Рис. 4 - Графики изменения прогиба (к) шин передних колёс трактора МТЗ-80 от угла склона (а0) и нагрузки (С) при различных давлениях в них:
1 - 0,12 МПа; 2 - 0,14 МПа; 3 - 0,16 МПа; 4 - 0,18 МПА; 5 - 0,2 МПа; 6 - 0,22 МПА; 7 - 0,25 МПа
а б
Рис. 5 - Зависимости времени истечения воздуха (газа) t от давления Р для переднего колеса: а - из баллона высокого давления в шину; б - из шины в атмосферу
аб
Рис. 6 - Зависимости времени истечения воздуха (газа) t от давления Р для заднего колеса: а - из баллона высокого давления в шину; б - из шины в атмосферу
На рисунках 5 и 6 представлены графики истечения воздуха (газа) из баллона высокого давления в шину и из шины в атмосферу (для переднего и заднего колёс), рассчитанные по зависимости (1).
Выводы. Анализ графиков показывает, что время, необходимое для повышения давления, например на 0,02 МПа, для переднего и заднего колёс (например, правого борта) составляет менее 1 с (рис. 5а, 6а — Д^ и Д13). Время, затрачиваемое на снижение давления в шинах (левого борта) на 0,02 МПа, составляет от 1 до 2 с (рис. 5б, 6б — Д^ и Д14). Т.е. включение в работу следящей системы
(повышение и снижение давления воздуха в шинах) при перепаде давлений (например, на +0,02 МПа) составляет не более 2 с, а разность в изменении радиусов колёс в этом случае находится в диапазоне около 20—24 мм. Это позволяет сместить направление вектора центра тяжести (рис. 1) в наиболее устойчивое положение машины (трактора).
Представленный материал статьи можно использовать для дальнейшего направления исследований в вопросе повышения устойчивости колёсных машин при движении их по поверхностям, имеющим уклон.
Литература
1. Горшков Ю.Г., Старунова И.Н., Калугин А.А. и др. Исследование влияния угла склона на дисбаланс нагружения бортов колёсной машины и изменение направления вектора центра тяжести // Научное обозрение. 2014. № 1. С. 28—32.
2. Шкрабак В.С. Противоопрокидывающее устройство для мобильных машин // Охрана труда в сельском хозяйстве: научные труды Ленинградского сельскохозяйственного института. Т. 402. Л. — Пушкин, 1980.
3. Реймер В.В. Обоснование методики повышения эффективности эксплуатации колёсных тракторов класса 1,4 при работе на наклонной поверхности: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Оренбург, 2012. 21 с.
4. ГОСТ 12.2.019-2005 ССБТ. Тракторы и машины самоходные сельскохозяйственные. Общие требования безопасности.
5. Горшков Ю.Г., Старунова И.Н., Калугин А.А. Автомати-
ческое регулирование давления воздуха в шинах — фактор безопасного движения колёсных машин на склонах // Техника в сельском хозяйстве. 2014. № 1. С. 13—15.
6. Абакумов Г.В. Корректирование давления воздуха в шинах при эксплуатации автомобилей зимой: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Тюмень, 1999. 17 с.
7. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика: учебник для вузов. Изд. 2-е. М.: Энергия, 1974. 448 с.
8. Чугаев Р.Р. Гидравлика: учебник для вузов. 4-е изд. Л.: Энергоиздат, 1982. 672 с.
9. Бидерман В.Л. и др. Автомобильные шины (конструкция, расчёт, испытание, эксплуатация) М.: Госхимиздат, 1963. 384 с.
10. Ульянов Ф.Г. Повышение проходимости и тяговых свойств колёсных тракторов на пневматических шинах. М.: Машиностроение, 1964. 135 с.
