Методика расчета и оценка проходимости колесных машин при криволинейном движении по снегу тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат технических наук Макаров, Владимир Сергеевич

• Макаров, Владимир Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Макаров, Владимир Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАНЕЕ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

1.1. Модели опорных оснований

1.2. Взаимодействие колесного движителя со снегом

1.3. Криволинейное движение по снегу

1.4. Задачи исследования

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КРИВОЛИНЕЙНОГО 34 ДВИЖЕНИЯ КОЛЕСНОЙ МАШИНЫ ПО СНЕЖНОЙ ЦЕЛИНЕ

2.1. Математическая модель движения одиночного колеса по 35 снежной целине

2.1.1. Формирование колеи одиночным колесом

2.1.2. Погружение колеса в снег

2.1.3. Сопротивление качению колеса

2.1.3.1. Сила сопротивления, обусловленная деформа- 51 цией снежного полотна пути колесом машины

2.1.3.2. Сила сопротивления от экскавационно- 56 бульдозерных эффектов с внешней стороны колеса

2.1.3.3. Сила сопротивления от экскавационно- 75 бульдозерных эффектов

2.1.3.4. Сила сопротивления движению от фрезерования 78 настовой корки и внутримассивных ледяных прослоек

2.1.4. Сцепление колеса с опорной поверхностью

2.2. Математическая модель движения колесной машины по 81 снежной целине

2.2.1. Глубина колеи, образуемая при криволинейном дви- 82 жении машины

2.2.2. Сопротивление движению на передвижение машины 84 по снегу

2.2.3. Сила тяги, развиваемая колесной машиной

2.2.4. Критерий проходимости колесной машины -. •

2.3. Алгоритм решения и программная реализация математиче- 94 ской модели проходимости машины по снегу

2.4. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИВ О ЛИНЕЙ- 97 НОГО ДВИЖЕНИЯ КОЛЕСНОЙ МАШИНЫ ПО СНЕЖНОЙ ЦЕЛИНЕ

3.1. Оценка осадки, сопротивления качанию и приведенного 98 сопротивления от экскавационно-бульдозеерных эффектов с внешней стороны колеса при боковом скольжении

3.2. Оценка проходимости колесных машин при различных ре- 106 жимах движения

3.3. Влияние режима движения на проходимость колесной ма- 115 шины

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРОХОДИМОСТИ 124 КОЛЕСНЫХ МАШИН ПО СНЕГУ

4.1. Программа исследовательских испытаний

4.2. Методика исследовательских испытаний

4.3. Результаты экспериментальных исследований

4.3.1. Анализ физико-механических свойств снега

4.3.2. Анализ изменения размеров колеи образуемой колесом в составе движителя при криволинейном движении машины

4.3.3. Оценка проходимости при разных режимах движения

4.4. Обработка результатов исследований 137 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 140 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 143 Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика расчета и оценка проходимости колесных машин при криволинейном движении по снегу»

Актуальность темы. Во время эксплуатации колесные машины не всегда передвигаются по специально подготовленным дорогам с высокими тягово-сцепными свойствами. Во многих случаях им приходится работать на бездорожье, которое характеризуется разнообразными дорожно-грунтовыми условиями. Эту способность автомобилей характеризует специальное эксплуатационное свойство - проходимость.

Одним из наиболее тяжелых режимов работы является криволинейное движение машин по снегу. Появление бокового скольжения колес вследствие малого сцепления приводит к увеличению ширины и глубины колеи и, как следствие, к возникновению экскавационно-бульдозерного сопротивления с внешней стороны колеса и росту сопротивления от вертикального смятия снега.

В таких условиях происходит значительный рост сопротивления движению. Поэтому необходим анализ учитывающий режимы криволинейного движения колесной машины по снегу с целью возможности уменьшения потерь и увеличения запаса силы тяги.

Теория движения колесных машин по деформируемым опорным основаниям на сегодняшний день разработана достаточно хорошо как зарубежными, так и отечественными исследователями. Однако в ней вопросы криволинейного движения по снежной целине и оценка режимов движения, требуют уточнения и пересмотра ряда положений, особенно в области геометрии взаимодействия колесного движителя со снегом при возникновении бокового скольжения на зоны подверженные вертикальному и боковому смятию.

Цель работы. Разработка методики расчета и оценка проходимости машин с колесной формулой 4x4 при криволинейном движении по снежной целине с учетом особенностей формирования колеи и режимов движения на основе экспериментально-теоретических исследований.

Научная новизна. Впервые для взаимодействия колеса катящегося в режиме бокового-скольжения, с деформируемой опорнойповерхностью, учтена-■•» особенность геометрии разделения зон вертикального и бокового смятия.

Разработана математическая модель криволинейного движения колеса по снежной целине с учетом бокового скольжения и особенности геометрии зон вертикального и бокового смятия.

Рассмотрены особенности образования колеи и сопротивления при криволинейном движении с учетом расположения колес в движителе машины, режимов работы и особенности геометрии зон вертикального и - бокового смятия.

Показаны изменения сопротивлений, сцеплений и запаса силы тяги при различных режимах с учетом особенности геометрии зон вертикального и бокового смятия снега при криволинейном движении.

Объекты исследования. На разных этапах работы в качестве объектов исследования выбирались колесные машины ВАЗ-2121 «Нива», ЭВМ-3966 «Сивер», ТТС-30072 «Кержак».

Общая методика исследований. При проведении теоретических исследований использовались методы аналитической механики, численные методы решения систем нелинейных уравнений и разнообразные методы математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились с использованием измерительных средств и комплексов визуального контроля.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Из теоретических разработок - уточнение модели качения колеса по снегу в режиме бокового скольжения в области геометрии разделения зон, подверженных вертикальному и боковому смятию, математическая модель криволинейного движения машины по снежной целине, учитывающая боковое скольжение колес, оценка проходимости с учетом режима движения по сравнению с прямолинейным.

2. Из научно-методических разработок - методика расчета и экспериментально-теоретическое обоснование проходимости машин с колесной-формулой 4x4 при криволинейном движении по снегу.

3. Из научно-технических разработок - обоснованные по результатам исследований рекомендации по выбору конструкции и режимов криволинейного движения машин с колесной формулой 4x4 с целью обеспечения наибольшей проходимости.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем: на основе экспериментальных и теоретических исследований сформулирована методика оценки проходимости при криволинейном движении колесных машин по снегу с учетом режимов движения и особенностей формирования колеи колесом в зонах вертикального и бокового смятия;

- получены зависимости для определения глубины погружения, сопротивления от вертикального смятия и от экскавационно-бульдозерных эффектов с внешней стороны колеса при движении колеса с боковым скольжением, учитывающие особенности формирования колеи;

- разработана методика проведения лабораторных и полевых испытаний, позволяющая определить проходимость и режимы движения при криволинейном движении по снегу как существующих колесных машин, так и сократить затраты на разработку новых конструкций.

Реализация работы. Результаты экспериментально-теоретических исследований по теме диссертации внедрены в НИЛ «Транспортных машин и транспортно-технологических комплексов», ЗАО «Завод вездеходных машин», ООО «Трансмаш», а также используются в учебном процессе кафедры «Автомобили и тракторы» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Автомобили и тракторы» (Н.Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева,

2008 - 2009 гг.); на 13-14-й нижегородских сессиях молодых ученых . - (Н.Новгород,-2008«- 2009 -гг.); -на 7-8-й международных молодежных научно--— технических конференциях «Будущее технической науки» (Н.Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева, 2008-2009 гг.); на международной научно-технической конференции, посвященной 45-летию кафедры «Автомобильный транспорт» (Н.Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева, 2008 г.), на международной научно-технической конференции «Проблемы транспортно-технологических комплексов» посвященной 35-летию кафедры «Строительные и дорожные машины» (Н.Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 научно-технических публикаций, в том числе 1 в рецензируемом журнале, рекомендованным ВАК, получено свидетельство на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из четырех глав, общих выводов, приложения, изложена на 161 странице текста, содержит 120 рисунков, 12 таблиц, список использованных источников, включающий 162 наименований.

Заключение диссертации по теме «Колесные и гусеничные машины», Макаров, Владимир Сергеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе экспериментально-теоретических исследований разработана математическая модель взаимодействия колесного движителя со снежным полотном пути при криволинейном движении, а также выявлены закономерности погружения катящегося колеса в снежный покров и получены зависимости деформации от величины нагрузки, позволяющие учесть боковое скольжение и особенности геометрии формирования зон вертикального и бокового смятия. При увеличении угла бокового скольжения до 15° рост осадки колеса составит до 8-10%.

2. Описаны закономерности формирования колеи колесным движителем автомобиля с колесной формулой 4x4 при различных режимах: прямолинейное движение, криволинейное движение при частичном совпадении колей передних и задних колес, криволинейное движение при несовпадении колей передних и задних колес без бокового скольжения, криволинейное движение при несовпадении колей передних и задних колес с боковым скольжением, криволинейное движение при несовпадении колей передних и задних колес с боковым скольжением и смещением клина снега заключенного между колеями.

3. Разработан алгоритм и методика расчета сил сопротивления движению, силы тяги и запаса силы тяги как оценки проходимости машин по снегу с колесной формулой 4x4, при различных режимах движения, учитывающие закономерности для определения сопротивления от вертикального смятия снега и экскавационно-бульдозерных эффектов возникающих при боковом скольжении колеса. При увеличении угла бокового скольжения до 15° рост силы сопротивления от смятия снега увеличится до 25-27%. приведенная сила сопротивления от экскавационно-бульдозерных эффектов с внешней стороны колеса вырастет до 22-30 % от силы сопротивления от вертикального смятия снега.

4. Проведена оценка и анализ проходимости при движении по снегу автомобилей повышенной проходимости с колесной формулой 4x4 в соответствии с которыми сделан ряд выводов:

4.1. Предельная глубина снега, преодолеваемого автомобилем «Нива», принимает значения О,-40-0,48 м; потери ■проходимости- при-криволинейном— -движение с 50% перекрытием колей составили 0-12%, при криволинейном движении без перекрытия колей, без бокового скольжения колес - 5-12%, при криволинейном движении без перекрытия колей и с углом бокового скольжения колес 15° - 24-33%. При этом снижение проходимости при криволинейном движении без перекрытия колей, без бокового скольжения и с боковым скольжением составляет 17-24%. Первое значение соответствует снегу с меньшей плотностью, второе — с большей.

4.2. Предельная глубина снега, преодолеваемого автомобилем «Кержак», принимает значения 0,63-1,0 м; потери проходимости при криволинейном движение с 50% перекрытием колей составили 31-33%, при криволинейном движении без перекрытия колей, без бокового скольжения колес -50-52%, при криволинейном движении без перекрытия колей и с углом бокового скольжения колес 15°- 60-66%. При этом снижение проходимости при криволинейном движении без перекрытия колей, без бокового скольжения; и с боковым скольжением составляет 20-32%. Первое значение соответствует снегу с меньшей плотностью, второе — с большей, причем для «снега-4» преодолеваемая глубина снежного покрова может быть любой;

4.3. Предельная глубина снега, преодолеваемого автомобилем «Сивер», принимает значения 0,7-0,92 м; потери проходимости при криволинейном движении с 50% перекрытием колей составили 10-27%, при криволинейном движении без перекрытия колей, без бокового скольжения колес -20-44%, при криволинейном движении без перекрытия колей и с углом бокового скольжения колес 15° - 50-54. При этом снижение проходимости при криволинейном движении без перекрытия колей, без бокового скольжения и с боковым скольжением составляет 15-43%. Первое значение соответствует снегу с меньшей плотностью, второе — с большей;

4.4. Предельные значения скорости по боковому скольжения при движении с минимальным радиусом поворота равны 11,2-12,9, 16,6-24,6, 17-22,4 км/ч для автомобилей «Нива», «Кержак» и «Сивер» соответственно, причем - -- меньшее значение- соответствует снегу-с-меньшей-плотноетью^болыпее—с -большей;

4.5. Получены зависимости показывающие влияние режима движения (сочетание скорости и радиуса поворота), конструкции колес (диаметра, ширины, типа и размеров шины) и самого транспортного средства (размеры базы, колеи, дорожного просвета, а также массы, развесовки и положения центра тяжести) на проходимость и дающие возможность использовать эти данные при проектировании автоматических систем поддержания подвижности (проходимости, курсовой устойчивости и скорости движения) и конструкции транспортных средств высокой проходимости.

5. Экспериментальные исследования подтвердили удовлетворительную сходимость предложенной методики расчета и оценки проходимости при криволинейном движении колесных машин по снегу. Погрешность измерений составила 15-21%. Отклонения экспериментальных данных от теоретических составили 18-23%.

6. Теоретические разработки, методики расчетов, результаты экспериментальных исследований, технические предложения, практические рекомендации повышения проходимости колесных машин внедрены в НИЛ «Транспортных машин и транспортно-технологических комплексов», ЗАО «Завод вездеходных машин», ООО «Трансмаш», используются в учебном процессе кафедры «Автомобили и тракторы» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

143

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Макаров, Владимир Сергеевич, 2009 год

1. Агейкин Я.С. Вездеходные колесные и комбинированные движители. Теория и расчет. М.: Машиностроение, 1972. — 184 с.

2. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. — М.: Машиностроение, 1981.-230 с.

3. Аникин A.A., Беляков В.В., Донато И.О. Теория передвижения колесных машин по снегу. М.: Изд — во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.- 240 с.

4. Антонов A.C. Теория гусеничного движителя. М.: Машгиз, 1949. — 200 с.

5. Антонов Д.А. Расчет устойчивости движения многоосных автомобилей. -М.: Машиностроение, 1984.- 163 с.

6. Армейские автомобили / Под ред. A.C. Антонова, в трех частях. — М.: Изд-во МО, 1970. -4.1 543 с.

7. Бабков В.Ф. Напряжения в грунтовых основаниях дорожных одежд // Тр. ДОРНИИ М. 1941. - Вып. 111.- 128 с.

8. Бабков В.Ф. Образование колеи при движении автомобиля // Труды совещания по проходимости колесных и гусеничных машин по целине и грунтовым дорогам. М.: Изд-во АН СССР, 1950. - С. 94 - 115.

9. Бабков В.Ф., Безруков В.М. Основы грунтоведения и механика грунтов.- М.: Высшая школа, 1976. 328 с.

10. Бабков В.Ф., Бируля А.К., Сиденко В.М. Проходимость колесных машин по грунту. М.: Автотрансиздат, 1959. — 189 с.

11. Бабков В.Ф., Гербурт-Гейбович A.B. Основы грунтоведения и механики грунтов. — М.: Автотрансиздат, 1956. — 301 с.

12. Барахтанов Л.В. Повышение проходимости гусеничных машин, по снегу: Дисс. докт. техн. наук: 05.05.03. — Горький, 1988 г. — 352 с.

13. Барахтанов JI.B., Беляков В.В., Кравец В.Н. Проходимость автомобиля.

14. Н. Новгород: HTTY, 1996. -200 с. . .

15. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность-машина: Пер. с англ. / Под ред. В.В. Гуськова. М.: Машиностроение, 1973. - 520 с.

16. Беляков В.В. Взаимодействие со снежным покровом эластичных движителей специальных транспортных средств: Дисс. .докт. техн. наук: 05.05.03. НГТУ, Н.Новгород,!999. 485 с.

17. Беляков В.В. Методика расчета и анализ путей повышения проходимости многоосных колесных машин по снегу: Дисс. канд. техн. наук: 05.05.03. -Н. Новгород, 1991 г. 307 с.

18. Бируля А.К. Проходимость автомобилями черноземных грунтов // Труды совещания по проходимости колесных и гусеничных машин по целине и грунтовым дорогам. — М.: Изд-во АН СССР, 1950. — С. 122 — 128.

19. Бируля А.К. Сцепление пневматической автомобильной шины с грунтом // Труды совещания по проходимости колесных и гусеничных машин по целине и грунтовым дорогам. — М.: Изд-во АН СССР, 1950. -С. 15-20.

20. Бойков В.П., Белковский В.Н. Шины для тракторов и сельскохозяйственных машин. — М.: Агропромиздат, 1988. — 240 с.

21. Бойков В.П., Левин H.A. Определение некоторых показателей взаимодействия колесного движителя трактора с почвогрунтом // Тракторы и сельхозмашины. 1986. — № 6. - С.6 — 10.

22. Вездеходные транспортно-технологические машины // Под редакцией В. В. Белякова и А. П. Куляшова. Н. Новгород.: ТАЛАМ, 2004. -960 с.

23. Вейнберг Б.П. Снег, иней, град, лед и ледники. — М.: ОКТИ, 1936. — 236 с.

24. Водяник И.И. Сопротивление качению гусениц от деформации грунта при образовании колеи // Известия вузов. Машиностроение. 1980. - № 2. - С.96 — 100.

25. Войтковский К.Ф. Механические свойства снега. — М.: Наука,1977. —128 с.

26. Вольская Н.С. Оценка проходимости колесных машин при движении по неровной грунтовой поверхности — М.: Изд-во'МГИУ, 2007. 215 с.27