Другие журналы
|
научное издание МГТУ им. Н.Э. БауманаНАУКА и ОБРАЗОВАНИЕИздатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211. ISSN 1994-0408
Исследования взаимодействия пневмоколесного движителя сверхнизкого давления со снежным полотном пути
# 08, август 2011
Файл статьи:
Горелов_P.pdf
(1092.31Кб)
УДК 629.113 ФГБОУ ВПО Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Одним из наиболее тяжелых режимов работы транспортных средств является передвижение по снегу. Значительная часть территории России на длительный срок устойчиво покрывается снегом. На Европейском и Сибирском Севере снежный покров лежит 7 месяцев, а на Крайнем Севере – 8-9 месяцев. В ряде районов страны среднемноголетняя максимальная высота снега достигает 1,2 м [1]. Такая длительность, устойчивость и весьма большая высота снежного покрова являются существенной особенностью климата нашей страны и оказывает большое влияние на ее экономику и образ жизни населения. В этих условиях движение автомобилей не только затрудняется, но зачастую и исключается совсем. Поэтому использование вездеходных машин является чаще всего единственной возможностью осуществления передвижения. Среди известных транспортных средств высокой проходимости колесные машины обладают наибольшей универсальностью и экономической эффективностью. В то же время, они недостаточно приспособлены для передвижения по снежной целине. Проведенные исследования транспортных средств на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления выявили чрезвычайно высокую проходимость, универсальность и эффективность этих машин. Поэтому, применение транспортных средств на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления является эффективным средством повышения проходимости и энергоэффективности при осуществлении транспортных операций. Решение вопросов проходимости с научной и технической точек зрения, главным образом, лежит в области исследования взаимодействия движителя с дорожно-грунтовой поверхностью. При функционировании системы «опорная поверхность-движитель» происходит взаимодействие движущегося транспортного средства с полотном пути. Результатом этого взаимодействия является остающаяся в грунте (снеге) после прохода машины колея (рис. 1); поэтому колею можно рассматривать в качестве физической модели процессов в системе «опорная поверхность-движитель» и энергетического показателя процесса взаимодействия пневматического колеса с полотном пути [2].
Размеры и площадь поверхности контакта должны обеспечивать передачу потока мощности от машины к опорной поверхности. Величина этого потока лимитируется с одной стороны силовым агрегатом машины, а с другой – энергоемкостью материала полотна пути. Фактическая глубина колеи определяется свойствами грунта в момент его взаимодействия с движителем. Глубина колеи возрастает до тех пор, пока грунт под движителем не уплотнится настолько, что его несущая способность окажется достаточной для восприятия передаваемых движителем нагрузок [2]. В рамках данного исследования разработана математическая модель контактного взаимодействия пневмоколесного движителя сверхнизкого давления со снежным полотном пути, реализованная в программном комплексе MATLAB. Разработанная модель позволяет оценить характер и количественные показатели процесса взаимодействия эластичных колес транспортного средства с деформируемой опорной поверхностью в зависимости от конструктивных параметров пневмоколесного движителя, эксплуатационных факторов (внутреннего давления воздуха в шинах, вертикальной нагрузки на колесо) и физико-механических параметров снега. В качестве зависимости деформации снега от нормальной нагрузки была выбрана формула, предложенная в НГТУ В.А. Малыгиным [3]. Данный выбор объясняется тем, что она основана на обширных экспериментальных исследованиях, которые проводились на реальном снежном покрове несколько лет подряд и в течение всего зимнего периода, а это позволило получить богатый экспериментальный материал по вертикальной деформации снега. Кроме того, она неоднократно проверена на практике. Зависимость, характеризующая взаимосвязь между давлением q и деформацией h, записывается в виде [3]:
где γ – коэффициент начальной жесткости снега, характеризующий удельное сопротивление снега сжатию, представляет собой коэффициент жесткости (Н/м3) в начальной стадии деформации; hmax – коэффициент, характеризующий величину деформации снега при давлениях, соответствующих максимальному уплотнению (м). где H – высота снежного покрова (м); b – ширина штампа (м); ny – коэффициент уплотняемости снега; d – эмпирический коэффициент. Согласно экспериментальным исследованиям, проведенным В.А. Малыгиным в ОНИЛ ВМ:
где ρ0 – начальная плотность снега; а = 0,3 г/см3. На основании этих же экспериментальных данных зависимость d от Н хорошо согласуется с выражением вида d = 0,0287 (100H)3/2 Зная легко определяемые параметры (начальную плотность снега ρ0 и его начальную жесткость γ), рассчитывается глубина погружения штампа на снежной целине заданной высоты Н в зависимости от нагрузки:
Таким образом, исходными данными модели с одной стороны являются описанные выше параметры снежного покрова, с другой – параметры распределения нормальных давлений по площади контакта колеса с опорным основанием. Для формирования массива данных о распределении нормальных давлений в зоне контакта шины сверхнизкого давления с опорной поверхностью были проведены экспериментальные исследования. Объектом экспериментального исследования являлся автомобиль «Викинг»-2992 (рис. 2), технические данные которого представлены в таблице.
Краткая техническая характеристика объекта испытаний
Методика проведения испытаний и структурно-функциональная схема соединения измерительно-регистрирующей аппаратуры подробно описаны в работах [4-6]. В результате проведенных испытаний получены трехмерные эпюры распределений нормальных давлений по площади контакта колес исследуемого транспортного средства с опорной поверхностью при различных внутренних давлениях воздуха в шинах (рис. 3).
Для определения начальной жесткости снега γ проводилось экспериментальное определение зависимости «нагрузка – вертикальная деформация снега» (рис. 4).
На рис. 5 показаны результаты моделирования контактного взаимодействия шины 1300х600-533 модели «Трэкол» при движении по снегу (H=0.72 м, ρ=0.30 г/см3, γ=0,0678 МПа/м) с нагрузкой 600 кг и давлении воздуха в шине 0,3 МПа. Как видно из рис. 5 максимальная глубина колеи составляет 0,26 м.
Для проверки адекватности имитационной модели проводились замеры глубины колеи, образуемой пневмоколесным движителем автомобиля «Викинг»-2992 (рис. 6). В результате экспериментальных исследований установлено, что на снегу с параметрами, соответствующими исходным данным разработанной модели, максимальная глубина колеи не превышает 0,28 м.
Таким образом, при сравнении расчетных данных с данными экспериментальных исследований (рис. 7) наблюдается удовлетворительная сходимость результатов.
Экспериментально установлено, что глубина колеи существенно зависит от давления воздуха в шине [7, 8].
Характер зависимости глубины колеи от давления воздуха в шине, представленный на рис. 8, определяется максимальным давлением колеса на опорную поверхность, которое также будет зависеть от давления воздуха в шине (рис. 9).
Глубина колеи и максимальные давления в контакте определяют сопротивление движению, связанное с деформацией снежного полотна пути [5]:
где b – ширина колеи; qmax – максимальное давление в контакте колеса с опорной поверхностью; γ, hmax – параметры, указанные в формуле (1). Зависимость суммарной силы сопротивления движению, основной составляющей в которой является сопротивление движению, обусловленное смятием снежного полотна пути, от давления воздуха в шине для транспортного средства «Викинг» представлено на рис. 10. При изменении давления от 0,06 МПа до 0,012 МПа сила сопротивления движению для транспортного средства «Викинг» уменьшилась в 1,69 раза.
Таким образом, в рамках данного исследования разработана модель контактного взаимодействия пневмоколесного движителя сверхнизкого давления со снежным полотном пути. Предложенная модель позволяет оценить величину силы сопротивления движению пневмоколесного движителя сверхнизкого давления по снежной целине в зависимости от внутреннего давления воздуха в шинах при заданных физико-механических параметрах снега. Произведено сравнение расчетных данных с данными экспериментальных исследований для транспортного средства «Викинг»-2992 на шинах 1300х600-533 модели «Трэкол». Установлена удовлетворительная сходимость результатов. Проведен анализ параметров взаимодействия движителя вездеходного транспортного средства с деформируемой опорной поверхностью, на основании которого можно объективно оценивать показатели проходимости и энергоэффективности транспортных средств. Данная научно-исследовательская работа проводилась в рамках федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».
Список использованных источников 1. Аникин А.А. Разработка научных методов повышения проходимости по снегу особо легких гусеничных машин. - Дис. докт. тех. наук: 05.05.03. НГТУ, Н.Новгород, 2010. – 308 с. 2. Вездеходные транспортно-технологические машины // Под редакцией В. В. Белякова и А. П. Куляшова. – Н. Новгород.: ТАЛАМ, 2004. – 960 с. 3. Малыгин В.А. Исследование процесса деформации снега под воздействием гусеничного движителя и обоснование выбора размеров опорной поверхности гусениц снегоходных машин: Дисс. … канд. техн. наук: 05.05.03. ‑ Горький, 1971. – 155 с. 4. Беляков В.В. Распределение давлений в контакте шины с дорогой/ В.В. Беляков, А.Н. Блохин, Д.В. Зезюлин, А.А. Алипов // Вестник Ижевского государственного технического университета. – 2011. – ╧1(49). – С. 15-18. 5. Блохин А.Н. Определение нормальных усилий в контакте шины сверхнизкого давления с опорной поверхностью / А.Н. Блохин, В.В. Беляков, Д.В. Зезюлин, А.А. Алипов // Журнал ААИ. Журнал автомобильных инженеров. – 2011. - ╧2(67) – С.30-33. 6. Алипов А.А. Экспериментальное определение распределения нормальных давлений в зоне контакта пневматической шины сверхнизкого давления с опорной поверхностью / А.А. Алипов, В.В. Беляков, А.Н. Блохин, Д.В. Зезюлин, А.М. Носков // Сборник материалов 71-й международной научно-технической конференции ААИ «Безопасность транспортных средств в эксплуатации». – Н.Новгород: НГТУ. – 2010 – С.113-116. 7. Беляков В.В. Расчет проходимости колесных машин при криволинейном движении по снегу / В.В. Беляков, А.Н. Блохин, В.С. Макаров, С.Е. Манянин // Вестник Ижевского государственного технического университета. – 2010. – ╧3(47). – С. 35-38. 8. Барахтанов Л.В., Беляков В.В., Кравец В.Н. Проходимость автомобиля. – Н. Новгород: НГТУ, 1996. – 200 с. Публикации с ключевыми словами: проходимость, вездеходное транспортное средство, взаимодействие машины с местностью, снег, энергоэффективность, шины сверхнизкого давления, распределение давлений Публикации со словами: проходимость, вездеходное транспортное средство, взаимодействие машины с местностью, снег, энергоэффективность, шины сверхнизкого давления, распределение давлений Смотри также: Тематические рубрики: Поделиться:
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|