Повышение эффективности эксплуатации грузовых автомобилей в сельском хозяйстве автоматическим подтормаживанием буксующего колеса

Одной из наиболее важных народнохозяйственных задач является увеличение производства сельскохозяйственной продукции, повышение её качества, сохранность выращенного урожая сельскохозяйственных культур и доведение до потребителя высококачественной продукции. Эта многоцелевая задача может быть решена только на основе использования современных технологий и машин, их реализующих.

Многообразие решаемых в сельском хозяйстве задач требует большого количества колесных машин (КМ) различного назначения. Технологические машины непосредственно обеспечивают подготовку почвы, уход за растениями, уборку урожаямелиоративные машины — сохранение и повышение плодородия почвы. С помощью транспортных машин осуществляется своевременный вывоз выращенного урожая с поля и доставка его к местам хранения, переработки и использования по назначению. Применение указанных КМ происходит в различных условиях: на поверхностях с высокой несущей способностью (автомобильные асфальтобетонные дороги, дороги со щебеночным и гравийным покрытием, сухие укатанные грунтовые дороги и др.) и с низкой несущей способностью (поле, пахота, заболоченная луговина, размытые грунтовые и полевые дороги, глубокий снег и др.). При этом одни и те же КМ эксплуатируются на опорных поверхностях как с малой несущей способностью, так и на твёрдых дорогах. Так, до 95% технологических машин (зерноуборочные и кормоуборочные комбайны и др.) работают в условиях поля и только 5% - в условиях дорог с твердым покрытием. Из общего количества КМ, используемых на вывозе выращенного урожая и перевозке других грузов, на поверхностях с малой несущей работает 60.65% тракторов, 35.40% автомобилейна опорных поверхностях с высокой несущей способностью работают 35.40% тракторов, 60% автомобилей. Мелиоративные и дорожно-строительные машины вообще работают в особо тяжелых дорожных условиях.

Движение грузовых автомобилей (ГА) в сельском хозяйстве осуществляется за счет взаимодействия пневматического колесного движителя (ПКД) с опорной поверхностью. Это взаимодействие вызывает значительные энергетические потери, характеризующие экономичность машины, её тягово-сцепные свойства и проходимость. Поэтому существенные резервы повышения производительности и снижения себестоимости технологических и транспортных работ кроются в снижении затрат энергии при взаимодействии элементов системы «пневматический колесный движитель — несущая поверхность» (ПКД — НП), эффективность функционирования которой зависит от заданных элементов параметров (см. схему) [39].

Схема. Влияние ПКД — НП на производительность, качество работы и расход топлива при работе грузового автомобиля.

Следует отметить, что до настоящего времени ГА в сельском хозяйстве оборудуются пневматическими движителями и дифференциалами, обеспечивающими качение машины в основном без учета специфики их работы, что значительно влияет на экономичность и производительность этих машин. Работа ГА в различных условиях движения зачастую приводит к нежелательным последствиям: буксованию, колееобразованию, снижению сцепных качеств шин с несущей поверхностью, гидроскольжению и т. д. Указанные последствия вызывают снижение производительности и повышение расхода топлива.

Способность КМ работать в тех или иных условиях характеризуется их проходимостью. Под проходимостью понимается движение КМ вне дорог, при выполнении при этом возложенных на них транспортных и других функций. Высокие показатели проходимости КМ в период распутицы, дождей, зимой, в условиях лесисто-болотистой местности обеспечивает соответствующая конструкция, в наибольшей мере приспособленная к конкретным условиям их использованияособо высокая проходимость необходима для колесных машин, работающих в заболоченных районах и районах с глубоким снежным покровом. Для определения показателей проходимости необходима оценка тяговых качеств КМ, поворачиваемости, боковой и курсовой устойчивости, плавности хода и топливной экономичности. Таким образом, оценка проходимости колесных машин сводится к оценке многих её эксплуатационных свойств.

Наиболее часто потеря проходимости является следствием недостаточно высоких тягово-сцепных качеств на относительно ровных участках дорог или местности, где или несущая способность грунта невелика или низки сцепные свойства. В данном случае проходимость определяется взаимодействием колес с опорной поверхностью.

Решающее значение при оценке возможности полного сцепления колес с грунтом и затрат мощности имеет степень буксования ведущих колес, определяемая характером связи между ними. Связь эта в свою очередь определяется схемой трансмиссии, свойствами и местом размещения дифференциалов в схеме, характеристиками опорной поверхности. Буксование и колееобразование, возникающие при взаимодействии колесного движителя с поверхностью качения, являются причиной снижения скорости движения, производительности и качества работы ГА, повышенного расхода топлива, а также вызывают необратимые разрушительные процессы в почвенном слое поля, эрозию почвы, снижают урожайность сельскохозяйственных культур и т. д. (см. схему).

При движении КМ некоторое буксование в пятне контакта колеса с опорной поверхностью всегда возникает при передаче крутящего момента, вследствие упругой деформации шины и опорной поверхности. Проведенные исследования показали, что наибольшая величина передаваемого крутящего момента достигается при буксовании ведущих колес порядка 10.30%. В этом случае коэффициент сцепления колеса с опорной поверхностью зависит от величины буксования, достигая максимума в указанном интервале. При дальнейшем увеличении буксования колеса происходит уменьшение коэффициента сцепления колес с опорной поверхностью.

Таким образом, есть необходимость поддерживать буксование ведущих колес в указанном интервале величин, в результате чего будут обеспечиваться наиболее полное использование сцепных свойств грузового автомобиля, следовательно, и более высокие показатели его проходимости. Необходимость борьбы с буксованием колес становится все более острой по мере роста мощности двигателей как по абсолютной величине, так и по мощности, приходящейся на единицу сцепного веса КМ. Буксование не только не позволяет реализовать потенциально высокие качества машины с мощным двигателем, но и вызывает повышенный расход топлива и износ шин.

В настоящее время проблемы обеспечения полной реализации тягово-сцепных возможностей КМ сельскохозяйственного назначения и ограничения буксования ведущих колес в основном решаются за счет блокирования дифференциальных механизмов. Проведенные исследования систем привода ведущих колес показали, что если блокированный привод повышает проходимость машин, то дифференциальный улучшает их управляемостьесли дифференциальный привод повышает экономичность машин при движении по усовершенствованным дорогам, то понижает её при движении по бездорожью и т. д.

Основная масса ГА, работающих в сельскохозяйственном производстве, оборудована простыми шестерёнчатыми дифференциалами, которые в условиях плохих дорог и бездорожья являются причиной снижения производительности и ухудшения проходимости, что приводит к технологическим отказам вследствие буксования ведущих колес. Часть колесных машин снабжена различными механизмами блокировки дифференциалов, которые конструктивно выполнены в виде кулачковой, шлицевой, шариковой или пальцевой муфты. Недостатками этих механизмов является то, что при включении они создают ударную нагрузку на полуоси, трансмиссию, и в особых условиях движения ось обоих колес становится жесткой, что иногда приводит к ухудшению управляемости и устойчивости машины, а также к повышенному расходу топлива. Нарушается соответствие между угловой и линейной скоростями колес, возникает разность тангенциальных усилий, обусловленная разными коэффициентами сцепления под ведущими колесами, что приводит к возникновению свободного момента. Вследствие этого ухудшается устойчивость КМ и затрудняется управляемость. Дифференциальные механизмы с принудительной блокировкой нельзя назвать вполне надежным средством обеспечения устойчивого движения КМ в экстремальных ситуациях, так как предвидеть последние и заблокировать дифференциал не всегда удается.

Поиск новых, более эффективных решений, повышающих проходимость и тягово-сцепные качества колесных машин, увенчался созданием в конце 1980;х годов различных систем, ограничивающих буксование ведущих колёс, так называемых противобуксовочных систем (ПБС). Эти системы позволяют в определенной мере поставить под контроль тягово-скоростные свойства машины, в частности грузового автомобиля, и его поведение в сложных условиях движения.

Однако внедрение существующих ПБС на грузовых автомобилях, работающих в сельскохозяйственном производстве, потребовало изучения целого ряда вопросов, касающихся условий эксплуатации и маневренности таких машин.

Анализ отечественных и зарубежных работ, посвященных вопросам применения ПБС, показывает, что в настоящее время недостаточно полно обосновано и изучено влияние автоматической ПБС на проходимость грузового автомобиля. Нет научно обоснованных параметров систем автоматического ограничения буксования.

Широкое внедрение АПБС на ГА в сельскохозяйственном производстве сдерживается главным образом высокой стоимостью и конструктивной сложностью этих систем. Следует отметить, что до настоящего времени на ГА в сельском хозяйстве автоматические ПБС не применялись, и требуется не только обоснование необходимости этих систем, но и практическая проверка их работоспособности в различных условиях движения. Поэтому, наряду с общим совершенствованием имеющихся ПБС, большое практическое значение приобретает создание недорогого, упрощенного варианта автоматической ПБС, реализация которого может обеспечить более широкое применение автоматической ПБС на грузовых автомобилях в сельскохозяйственном производстве.

На основании изложенного, целью нашей работы является повышение тягово-сцепных качеств, проходимости и производительности грузовых автомобилей в сельскохозяйственном производстве за счет автоматического приложения тормозного момента к буксующему колесу.

Объект исследования: процесс автоматического подтормаживания буксующего пневматического колесного движителя.

Предмет исследования: закономерности взаимодействия и взаимовлияния параметров пневматического колесного движителя и несущей поверхности при функционировании автоматической противобуксовочной системы.

Методологической основой исследования служили основные положения теории движения КМ, качения деформируемого колесаторможения КМ, теории машин и механизмов, теории конструирования и расчета колесных машин.

Методы исследования. Для решения задач и достижения поставленной цели в работе использовались теоретический анализ процесса движения и буксования ведущего эластичного колеса и обобщение научной и специальной литературыкомплекс полевых методов исследования КМметоды логического анализа и методы решения дифференциальных уравненийметоды математической и статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна положений, выносимых на защиту. На основе уточненной математической модели динамики движения ведущего пневматического колеса обоснованы коэффициенты подтормаживания буксующего колеса для скользких дорог и поверхностей с малой несущей способностью с учетом режимов дои закритического буксования.

Обоснованы и разработаны методика и электронный прибор по исследованию параметров буксования колесных движителей, отличающиеся от существующих методик и приборов тем, что они дают возможность исследовать буксование ведущих колес за любой промежуток времени работы колесной машины.

Обоснован и разработан электронный блок управления, с помощью которого функционирует противобуксовочная система (ПБС), отличающийся тем, что автоматически включает и выключает ее при заданной величине углового ускорения ведущего колеса.

Практическая ценность работы состоит в повышении эффективности технической системы, включающей в себя элементы разработанной тормозной системы, обеспечивающей автоматическое ограничение буксования ведущих колес.

Результаты работы могут быть использованы при разработке противобуксовочных систем транспортных и технологических машин.

Приведенные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях, занимающихся разработкой транспортных и технологических колесных машин.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждаются применением комплекса современных информативных и объективных методов исследования, подбором измерительной аппаратуры, систематической её проверкой и контролем погрешностей, выполнением рекомендаций соответствующих стандартов и руководящих технических материалов на испытаниях и корректной статистической обработкой экспериментальных данных с использованием ЭВМ. Научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации проверены результатами, полученными в ходе экспериментов.

Апробация работы и внедрение результатов. Автоматическое противобуксовочное устройство для повышения проходимости колесных машин внедрено в ООО «КапиталСтрой», ООО «МК «ПРОМТРАНС», ООО «Промтекс», ООО «Климовское», ООО «ТрансИнвест», ООО «Никон» и в ООО.

КомплектРегионСнаб". Указанные предприятия имеют сельскохозяйственное назначение.

Основные результаты диссертационного исследования были доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях ЧГАУЧГАА (2000.20И гг.), Курганской ГСХА (2005.2008 гг.), Костанайского ГУ (2003. .2007 гг.), УФ МАДИ (ГТУ) (2006.2009 гг.), ЮУрГУ (2008.2009 гг.).

Результаты выполненной работы используются при чтении лекций по курсу «Безопасность жизнедеятельности» и при выполнении курсовых и дипломных работ в Челябинской государственной агроинженерной академии, Курганской государственной сельскохозяйственной академии.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 15 научных работах, из них три работы опубликованы в центральных изданияхполучены свидетельство на полезную модель (№ 16 116 от 17.09.2000 г.) и два патента РФ на полезную модель (№ 35 298 от 17.09.2003 г.- № 37 856 от 12.01.2004 г.).

Структура и объём работы. Диссертация содержит 163 страницы машинописного текста, в том числе 58 рисунков, 4 таблицысостоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 122 наименования, и 22 приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Работа грузовых автомобилей в сельскохозяйственном производстве осуществляется чаще всего вне дорог, в условиях поля (пахота, стерневое поле, залежь, целина), поэтому возникла необходимость определить возможность автоматического ограничения буксования ведущих колес с учетом специфики несущих поверхностей с целью повышения их тягово-сцепных качеств.

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Обоснован и разработан способ повышения эффективности грузовых автомобилей в сельском хозяйстве автоматическим подтормаживанием буксующих колес.

2. На основе уточненной математической модели динамики движения ведущего пневматического колеса обоснованы коэффициенты подтормаживания буксующего колеса для скользких дорог и поверхностей с малой несущей способностью с учетом режимов дои закритического буксования.

3. Разработана и испытана конструкция автоматической ПБС, позволяющая в особых условиях движения (пахота, снег, грязь, песок, размытые грунтовые и полевые дороги, гололед) повысить тягово-сцепные качества и проходимость грузовых автомобилей в 1,5.2,0 раза, расход топлива снизить на 7. 14%. В обычных и сложных дорожных условиях эта конструкция не ухудшает свойств работы тормозной системы и серийного шестеренчатого дифференциала.

4. Оснащение серийного автомобиля ЗиЛ-433 360 автоматической ПБС обеспечивает ускорение разгона на поверхностях с малой несущей способностью и скользких дорогах в 1,14.2,20 раза по сравнению с серийным автомобилем ЗиЛ-433 360 и повышение силы тяги по сцеплению в 1,5.2,0 раза.

5. Обоснованы и разработаны методика и электронный прибор по исследованию буксования колесных движителей, отличающиеся от существующих методик и приборов тем, что они дают возможность дифференцированно определять буксование ведущих колес за любой промежуток времени работы колесной машины.

6. Обоснован и разработан электронный блок управления, с помощью которого функционирует противобуксовочная система (ПБС), автоматически включающий и выключающий ее при заданной величине углового ускорения ведущего колеса (10.25 рад/с).

7. В результате дорожно-эксплуатационных испытаний установлено, что экономический эффект от использования автоматической ПБС на автомобиле ЗиЛ-433 360 позволяет увеличить грузооборот (при неудовлетворительных дорожных условиях) на 14. 15% по сравнению с серийным автомобилем.

Рекомендации.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют рекомендовать следующее: на стадии проектирования.

— оснащать грузовые и специальные автомобили в сельском хозяйстве автоматическими противобуксовочными системами с целью улучшения динамики этих машин за счет снижения буксования, технологических отказов, утомляемости операторов, экологического дисбаланса и повышения производительностина стадии эксплуатации.

— обеспечивать колесный парк транспортных и специальных автомобилей в предприятиях сельского хозяйства автоматической ПБС.