Методика расчета, выбора и оценка основных параметров движителя многоосной колесной машины при преодолении разрушаемых препятствий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат наук Папунин Алексей Валерьевич

• Папунин Алексей Валерьевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Папунин Алексей Валерьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАБОТ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 10

ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ оценочных показателей профильной проходимости 12

1.2. Анализ математических моделей для расчета профильной 19 проходимости транспортно-технологических машин

1.3. Анализ существующих барьерных препятствий типа 26 «разрушаемый ров»

1.4. Анализ физико-механических свойств грунтовых 30 поверхностей

Выводы по 1 главе 35

Задачи исследования 37

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРЕОДОЛЕНИЯ 38

РАЗРУШАЕМОГО РВА МНОГООСНОЙ КОЛЕСНОЙ МАШИНОЙ

2.1. Математическая модель взаимодействия колеса машины с 38 разрушаемым рвом

2.1.1. Математическая модель обрушения стенок рва на 39 однородном грунте

2.1.2. Математическая модель обрушения стенок рва на 43 неоднородном грунте

2.2. Математическая модель преодоления рва многоосной 46 машиной с колесной формулой 6х6

2.2.1. Анализ типовых состояний преодоления рва колесной 47 машиной

2.2.2. Математическая модель динамики преодоления рва 54 многоосной колесной машиной

2.3. Классификация физико-механических свойств условных 57 грунтовых поверхностей для описания пороговых препятствий

2.4. Методика расчета профильной проходимости многоосных 61 колесных машин при преодолении разрушаемого рва

Выводы по 2 главе 64

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ 65

МАШИН С КОЛЕСНОЙ ФОРМУЛОЙ 6Х6 ЧЕРЕЗ РАЗРУШАЕМЫЙ РОВ

3.1. Объекты исследования для моделирования 65

3.2 Выбор параметров опорных оснований 67

3.3. Исследование изменения параметров разрушаемого рва при 68 взаимодействии с ним колесного движителя многоосных транспортных средств

3.3.1. Исследование обрушения стенок рва шасси с 68 колесной формулой 6х6 полной массой 300 кг

3.3.2. Исследование обрушения стенок рва шасси с 77 колесной формулой 6х6 полной массой 750

3.3.3. Исследование обрушения стенок рва шасси с 88 колесной формулой 6х6 полной массой 2000 кг

3.4. Расчет преодоления рва многоосными машинами с колесной 99 формулой 6х6

3.4.1. Исследование преодоления рва шасси с колесной 99 формулой 6х6 полной массой 300 кг

3.4.2. Исследование преодоления рва шасси с колесной 105 формулой 6х6 полной массой 750 кг

3.4.3. Исследование преодоления рва шасси с колесной 113 формулой 6х6 полной массой 2000 кг

3.5. Выводы по3 главе 122

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 128 ДВИЖЕНИЯ МАШИНЫ С КОЛЕСНОЙ ФОРМУЛОЙ 6Х6 ЧЕРЕЗ РАЗРУШАЕМЫЙ РОВ

4.1. Технические характеристики объекта исследовательских 128 испытаний

4.2. Программа исследовательских испытаний 130

4.2.1. Основание для проведения испытаний 130 исследовательское шасси «Корсак»

4.2.2. Объект натурных исследовательских испытаний 130 4. 2.3. Цель натурных исследовательских испытаний 130 4.2.4. Условия проведения натурных исследовательских 130 испытаний

4. 2.5. Объем и содержание натурных исследовательских 131 испытаний

4.3 Методика натурных исследовательских испытаний по 131 определению предельной ширины рва

4.4. Экспериментальные исследования 136

4.4.1. Место проведения испытаний 136

4.4.2. Заезды по преодолению рвов 137

4.4.3. Измерения параметров грунтовых оснований 142 Выводы по 4 главе 148

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 149

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 155

Приложение. Акты внедрения 170

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика расчета, выбора и оценка основных параметров движителя многоосной колесной машины при преодолении разрушаемых препятствий»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Основными условиями движения многоосных вездеходных колесных машин, является бездорожье, характеризующееся тяжелыми условиями движения. В данных условиях способность транспортного средства преодолевать различные препятствия определяется его подвижностью. Подвижность - это интегральное эксплуатационное свойство транспортно-технологических машин (ТТМ) определяющее её способность выполнять поставленную задачу с оптимальной адаптивностью к условиям эксплуатации и техническому состоянию самой машины, то есть возможность машины противостоять внешним и внутренним факторам, препятствующим выполнению поставленной задачи.

Одной из задач подвижности является поддержание проходимости, в частности можно выделить профильную и опорную проходимость, а также преодоление водных преград. Профильная проходимость характеризует возможность ТТМ преодолевать различные неровности пути без инженерного вмешательства. Наиболее характерным и сложным случаем движения, является преодоление ТТМ барьерных препятствий. Поэтому они являются одними из основных для оценки профильной проходимости. В основном барьерные препятствия являются разрушаемыми. Это в значительной мере способствует увеличению проходимости кроме случая движения через рвы. Многоосное шасси при преодолении рва разрушает вертикальные стенки, происходит обрушение грунта, фактическая ширина рва увеличивается. Поэтому данная работа направлена на исследование движения многоосных ТТМ через разрушаемые рвы и как оно влияет на профильную проходимость и подвижность многоосных машин в целом.

Цель работы. Разработка методики расчета и оценка профильной проходимости машин с колесной формулой 6х6 при преодолении разрушаемого рва с учетом особенностей взаимодействия движителя с его разрушаемыми стенками, а также неоднородности грунта на основе теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Разработана методика расчета, включающая в себя математическую модель взаимодействия движителя машины с разрушаемым рвом .

Впервые разработана математическая модель обрушения стенок рва, как на однородном, так и на неоднородном грунте.

Впервые проведен анализ типовых состояний преодоления рва колесной машиной при ее движении через разрушаемый ров; выделены этапы преодоления рва машиной с колесной формулой 6х6.

Разработаны эмпирические формулы, позволяющие рассчитать параметры дернового покрытия в зависимости от характеристик подстилающего опорного основания.

Объекты исследования. На разных этапах работы в качестве объектов исследования были выбраны многоосные машины с колесной формулой 6х6, разработанные в НГТУ им.Р.Е. Алексеева: автономный мобильный робототехнический комплекс (АМРК), колесное исследовательское шасси «Корсак», специальное шасси мобильного робототехнического комплекса (МРК).

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 взаимодействия колеса машины с разрушаемым рвом и математическая модель обрушения стенок рва на однородном и неоднородном грунте, математическая модель преодоления рва многоосной машиной с колесной формулой 6х6, учитывающая особенности взаимодействия шасси с разрушаемыми стенками рва.

2. Из научно-методических разработок - методика расчета профильной проходимости многоосных колесных машин при преодолении разрушаемого рва.

3. Из научно-технических разработок - обоснованные по результатам исследований рекомендации по выбору конструкции и режимов преодоления разрушаемого рва машинами с колесной формулой 6х6 с целью обеспечения наибольшей проходимости.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

- на основе экспериментальных и теоретических исследований проведен расчет профильной проходимости многоосных колесных машин при преодолении разрушаемого рва, с учетом неоднородности грунта, особенностей взаимодействия шасси с разрушаемыми стенками рва, а также динамики движения, отличающиеся от ранее выполненных исследований более общей постановкой задачи;

- получены зависимости для определения размеров обрушения стенок рва на однородном и неоднородном грунте, учитывающие дополнительные силы возникающие при этом; зависимости для определения ширины преодолеваемого рва многоосной машиной с колесной формулой 6х6 с учетом динамики движения;

- разработана методика проведения натурных и теоретических испытаний, позволяющая определить проходимость колесных машин при преодолении разрушаемых рвов на однородном и неоднородном грунте, позволяющая оценить профильную проходимость как существующих многоосных транспортных средств, так и сократить затраты на разработку новых конструкций с требуемыми характеристиками профильной проходимости.

Реализация работы. Теоретические разработки, методики расчетов, результаты экспериментальных исследований, практические рекомендации по оценке взаимодействия движителей многоосных колесных машин с барьерными препятствиями, в том числе при расчете преодолеваемых разрушаемых рвов внедрены ООО «ТрансМаш», ООО «Завод Вездеходных Машин», Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Специальном конструкторском бюро средств автоматизации морских исследований» ДВО РАН, а также используются в учебном процессе кафедры «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Результаты работы, описанные в разделах 2.2, 2.4 главы 2 и в разделе 3.3 главы 3 получены в рамках выполнения научно-исследовательской работы по теме "Разработка научно-технических решений в области создания перспективной линейки электроплатформ для коммерческих автомобилей с автономными источниками энергии, адаптированных для применения систем беспилотного управления", при финансовой поддержке Минобрнауки России (соглашение 14.577.21.0268 от 26.09.2017, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57717X0268). Остальные полученные результаты используются в российских исследовательских проектах, выполняемых при участии автора диссертации: Грант Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ НШ-2685.2018.5 и научно-исследовательская работа в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности (Задание № 2.133.2017/ПЧ).

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Строительные и дорожные машины» (Н.Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2017 - 2018 гг.); на 16-18-й международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки» (Н.Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2017-2019 гг.); на 102-й и 108-й Международной научно-технической конференции Ассоциации Автомобильных инженеров (Н.Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2018,2019 г.), на Международной научно-практической конференции «Инновации и перспективы развития

горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2018» (СПб, Санкт-Петербургский горный университет, 2018 г.), на научно-техническом семинаре «Подвижность транспортно-технологических машин» (Н.Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2016, 2018, 2019 гг.), European-African Regional Conference of the International Society for Terrain-Vehicle Systems (Prague, Czech Republic, 2019), Международная научно-техническая конференция «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (Минск, Республика Беларусь, 2019 г), Международная научно-техническая конференция «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении 2019» ICMTMTE 2019 (Севастополь, 2019).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 18 научно-технических публикаций, в том числе 7 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 6 статей в журналах входящих в международную базу Scopus, получено 2 патента на полезную модель, 2 учебно-методических пособия.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из четырех глав, общих выводов, приложения, изложена на 175 страницах текста, содержит 121 рисунок, 15 таблиц, список использованных источников, включающий 144 наименования.

Квалификационная формула. Диссертация является самостоятельной завершенной научной работой, в которой на основании выполненных автором исследований, изложены новые научно обоснованные технические решения, позволяющие определять профильную проходимость колесных машин при преодолении разрушаемых рвов на однородном и неоднородном грунте, имеющие важное значение при оценке профильной проходимости как существующих многоосных транспортных средств, так и позволяет сократить затраты на разработку новых конструкций колесных шасси с требуемыми характеристиками профильной проходимости.

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАБОТ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Подвижность - это интегральное эксплуатационное свойство транспортно-технологических машин (ТТМ) определяющее её способность выполнять поставленную задачу с оптимальной адаптивностью к условиям эксплуатации и техническому состоянию самой машины, то есть возможность машины противостоять внешним и внутренним факторам, препятствующим выполнению поставленной задачи [1,2].

Исследованием подвижности ТТМ в разное время занимались многие ученые и исследователи [1-9, 55-75]. На рисунке 1.1 в соответствии с изложенной в работах профессора Белякова В.В. [3-6] типологизацией систем управления транспортно-технологическими машинами по классификационному признаку (решаемая задача управления) представлена четырехуровневая взаимопоглощающая конструкция управления ТТМ. Состав каждой из задач указан на рисунке 1. Более подробно задача поддержания подвижности расписана на рисунке 2. Здесь указаны составные части подвижности. Одной из задач подвижности является поддержание проходимости, в частности можно выделить профильную и опорную проходимость, а также преодоление водных преград. Более подробно структура подвижности и элементы схемы на рисунке 1.1 описаны в работах учеников В.В. Белякова [11, 50, 128-144 и др.]

Как видно из схемы на рисунке 1. 2 одним из разделов подвижности ТТМ является профильная проходимость. Профильная проходимость характеризует возможность ТТМ преодолевать различные неровности пути без инженерного вмешательства [6, 7].

Наиболее характерным и сложным случаем движения, является преодоление ТТМ барьерных препятствий. Поэтому они являются одними из основных для оценки профильной проходимости. Возможность их преодоления характеризуется такими параметрами машины как: продольный и поперечный радиус проходимости, максимальная высота преодолеваемого уступа(эскарпа), максимальная ширина преодолеваемого рва. Рассмотрим существующие оценки и математические модели, описывающие профильную проходимость.

Рисунок 1.1 - Иерархия задач управления ТТМ

Система поддержания подвижности

/

Система управления жизнеспособностью (отказная надёжность)

Поддержание надёжности;

Система дублирования;

Поддержание проходимости

Опорной

\

Поддержание скорости движения и дистанции

/

Поддержание

курсовой ориентации

Система управления

мобильностью (эксплуатационная надёжность)

Предупреждение и устранение критических ситуаций

Преодоление водных преград

Профильной

Управление системами

машины на режимах торможения и разгона, контроль устойчивости

Рисунок 1.2 - Структура поддержания подвижности ТТМ

1.1. Анализ оценочных показателей профильной проходимости

Профильная проходимость характеризует возможность автомобиля преодолевать неровности пути, препятствия и вписываться в требуемую полосу движения. [6, 18, 76-78]

В качестве оценочных показателей профильной проходимости автомобиля приняты:

1) дорожный просвет;

2) передний и задний свесы;

3) углы переднего и заднего свеса;

4) продольный радиус проходимости;

5) наибольший угол преодолеваемого подъема;

6) наибольший угол преодолеваемого косогора;

7) углы гибкости автопоезда;

8) поперечный радиус проходимости;

9) угол перекоса мостов;

10) коэффициент совпадения следов передних и задних колес;

11) ширина преодолеваемого в поперечном направлении рва;

12) высота преодолеваемой вертикальной стенки (эскарпа);

13) глубина преодолеваемого брода.

Первые шесть показателей установлены ГОСТ 22653-77, седьмой - ГОСТ 2349-75 и ГОСТ 12405-74, 11-й и 12-й - ОСТ 37.001.039-77 для полноприводных автомобилей, 13-й - ОСТ 37.001.061-74.

Дорожный просвет автомобиля (рисунок 1.3) - расстояние от опорной поверхности до одной из наиболее низко расположенных точек автомобиля. Обычно эти точки находятся под картерами ведущих мостов и в местах крепления рессор.

г

п к>

Рисунок 1.3 - Параметры профильной проходимости [6]

Передний (задний) свес автомобиля (рисунок 1.3) - расстояние от крайней точки контура передней (задней) выступающей части по длине автомобиля

до плоскости, перпендикулярной опорной поверхности и проходящей через центры передних (задних) колес автомобиля.

Угол переднего (заднего) свеса автомобиля (рисунок 1.3) - угол между опорной поверхностью и плоскостью, касательной к окружностям наружных диаметров передних (задних) колес и проходящей через точку контура передней (задней) части автомобиля таким образом, что все остальные точки контура оказываются с внешней стороны называемого угла.

Продольный радиус проходимости автомобиля (рисунок 1.3) - радиус цилиндра, касательного к окружностям, описанным свободными радиусами соседних колес, наиболее разнесенных по базе, и проходящего через точку контура нижней части автомобиля таким образом, что все остальные точки контура оказываются с внешней стороны этого цилиндра.

Наибольший угол преодолеваемого автомобилем подъема - угол подъема, имеющего протяженность не менее двукратной длины автомобиля или автопоезда и ровную опорную поверхность, преодолеваемый автомобилем без использования инерции, нарушений условий нормальной работы агрегатов и безопасности движения.

Наибольший угол преодолеваемого автомобилем косогора- угол поперечного уклона с ровной опорной поверхностью, который преодолевает автомобиль без бокового скольжения колес более чем на ширину профиля шины, без нарушений условий нормальной работы агрегатов и безопасности.

У автопоездов различают углы гибкости в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Поперечный радиус проходимости автомобиля (рисунок 1.3) - радиус цилиндра, касательного к колесам одного моста и проходящего через точку контура нижней части автомобиля. Он определяет возможность преодоления поперечных неровностей, ширина которых соизмерима с колеей автомобиля.

Угол перекоса автомобиля - сумма углов перекоса переднего и заднего мостов относительно горизонтальной плоскости.

Коэффициент совпадения следов передних и задних колес автомобиля -отношение ширины следов соответственно за передним и задним колесами

Ширина рва - наибольшая ширина рва, преодолеваемая в поперечном направлении при движении автомобиля на низшей передаче в трансмиссии под прямым углом к его оси.

Высота вертикальной стенки (эскарпа) - наибольшая высота стенки, преодолеваемой автомобилем при движении на низшей передаче в трансмиссии под прямым углом к ней.

Глубина брода - максимальная глубина водной преграды, преодолеваемой автомобилем.

Такие параметры профильной проходимости как: передний и задний свесы, наибольший угол преодолеваемого подъема, наибольший угол преодолеваемого косогора, углы гибкости автопоезда, угол перекоса мостов, коэффициент совпадения следов передних и задних колес, глубина преодолеваемого брода в основном определяются конструкцией шасси ТТМ.

Другие параметры профильной проходимости, как дорожный просвет, углы переднего и заднего свеса, продольный радиус проходимости, поперечный радиус проходимости, ширина преодолеваемого в поперечном направлении рва, высота преодолеваемой вертикальной стенки (эскарпа) будут зависеть от разновидности и параметров грунта, по которому происходит движение. В случае разрушаемости данных препятствий это будет влиять на профильную проходимость ТТМ[48]. Поэтому рассмотрим, как влияет разрушаемость данных препятствий на профильную проходимость. Для удобства и наглядности сведем все необходимые данные в таблицу 1.1.

Таблица 1.1 - Влияние разрушаемости профильных препятствий на проходимость ТТМ

Параметр проходимости

Вид препятствия без учета разрушения

Вид препятствия после разрушения

Влияние на проходимость

Дорожный просвет

Нк < Нкр Проходимость увеличивается

Углы переднего и заднего свеса

а1,2 < а1р,2р Проходимость увеличивается

Таблица 1.1 (продолжение)

Параметр проходимости

Вид препятствия без учета разрушения

Вид препятствия после разрушения

Влияние на проходимость

Продольный

радиус проходимости

р р

Проходимость увеличивается

Поперечный

радиус проходимости

р р

Лпоп ^ Лпопр

Проходимость увеличивается

Таблица 1.1 (окончание)

Ширина преодолеваемого

в поперечном направлении рва

Проходимость уменьшается

Высота преодолеваемой

вертикальной стенки (эскарпа)

Нэ < #эр

Проходимость увеличивается

В таблице 1.1 на рисунках слева показано движение через жесткие профильные препятствия. На рисунках справа цифрами 1 показаны участки, которые разрушаются при взаимодействии с остовом ТТМ.

Таким образом, из приведенной таблицы видно, что разрушаемость профильных препятствий сказывается положительно на проходимость во всех случаях, кроме преодоления рва. Поэтому в работе будем рассматривать именно этот наиболее сложный случай.

Проанализируем существующие зависимости по оценке профильной проходимости.

1.2. Анализ математических моделей для расчета профильной проходимости транспортно-технологических машин

Вопросами профильной проходимости в свое время занимались многие отечественные и зарубежные ученые и исследователи: Агейкин Я.С. [7-9], Антонов А.С. [10], Барахтанов Л.В.[6], Беляков В.В. [4, 11], Вольская Н.С. [9, 79, 80], Гришкевич А.И. [12, 81], Гуськов В.В. [13, 14, 82, 85], Зимелев Г.В. [15, 86-88], Иларионов В.А. [16], Кравец В.Н. [17, 18, 76-78], Ларин В.В. [19, 71], Литвинов А.С. [20, 59], Мамити Г.И. [21, 22, 89], Наумов В.Н. [107], Песков В.И. [23, 54], Селифонов В.В. [24, 25], Скотников В.А. [26, 90], Смирнов Г.А. [27, 91], Тарасик В.П. [28], Фаробин Я.Е. [20, 92-95], Чудаков Е.А. [29, 30, 96, 97], Bekker M. G. [31, 56] Wong J.[32, 114] и др.[98-106, 108-113, 115, 116]

Проанализировав все возможные условия по профильной проходимости, рассмотрим схему объединяющую все возможные условия движения, представленную на рисунке 1.4.

В данной схеме показано, что для того чтобы определить необходимые характеристики заново проектируемой машины или определить критические характеристики преодолеваемых препятствий для находящихся в эксплуатации ТТМ необходимо знать:

Рисунок 1.4 - Критические характеристики параметров машины по преодолению препятствия

1) Входные параметры по препятствиям, такие как: тип, геометрия, физико-механические характеристики, плотность препятствия на местности, амплитудно-частотные и фрактальные характеристики;

2) Входные параметры по машине, такие как: база, колея, геометрические размеры, массово-инерционные характеристики, тип движителя и его характеристики, радиусы продольной и поперечной проходимости, минимальный радиус поворота, дорожный просвет, углы свеса, положение центра тяжести, удельная мощность.

3) Критические случаи преодоления профильных препятствий, а именно: недостаточное сцепление движителя с препятствием, зависание на препятствии, утыкание, опрокидывание, габаритное не вписывание между препятствиями, потеря опорной проходимости на разрушаемом препятствии, а также обобщенный критический случай потери профильной проходимости.

Итак, схема на рисунке 4 является общей описывающей все многообразие профильных препятствий возникающих при движении ТТМ. Однако как было выяснено наибольший интерес представляют препятствия типа «разрушаемый ров». Поэтому проанализируем основные существующие математические модели. Сведем данные в таблицы 1.2-1.4.

Отметим, что в таблице приведены наиболее часто используемые, по мнению автора работы, зависимости. Также не затронуты некоторые аспекты исследования Пескова В.И. по преодолению эскарпа колесной машиной, так как данные математические модели постоянно уточняются.

Также отметим, что все указанные модели рассматривают только преодоление не деформируемых препятствий. Кроме того в указанных моделях не рассматривается динамика преодоления рва, что также является недостатком данных зависимостей. Из практики же известно, что чем больше скорость, тем больший ров машина может преодолеть.

Также для обоснования необходимости проведения данной работы нужно подтвердить, что разрушаемые препятствия и в частности рвы встречаются в условиях движения ТТМ.

Таблица 1.2 -Радиусы продольной и поперечной проходимости

Схема

Расчетные зависимости

Авторы

Радиусы проходимости целесообразно определять графически по масштабной схеме автомобиля

Агейкин Я.С.

}Ч ^ 0,5 [(О + Ог) - У(Р + И,)*- Г-].

Беккер М.Г.

Гришкевич А.И.

Таблица 1.2 (продолжение)

Схема

Расчетные зависимости

Авторы

/Ъ<0,5(1-8ша0)(£> + Ц,).

Гуськов В.В

Кравец В.Н.

^ = (0.25£2 ={1}

Таблица 1.3 - Преодоление эскарпа

Схема

Расчетные зависимости

Авторы

Агейкин Я.С.

Литвинов А.С.

= (фцр + Ф, °2 ~ / ) /(С1 + /Фпр ) =

Песков В.И.

Таблица 1.4 - Преодоление рва

Схема

Расчетные зависимости

Авторы

Агейкин Я.С.

ьр<о,2г0(п-1),

Барахтанов Л.В, Беляков В.В, Кравец В.Н.

Песков В.И.

Ьр = /-1.2(3-4) + 0,6 А

Беляков В.В., Макаров В.С.

1.3. Анализ существующих барьерных препятствий типа

«разрушаемый ров»

Барьерные препятствия - это препятствия, профиль которых представляет собой короткие уклоны и пороги. При этом преодоление колесной машиной барьерных препятствий является одним из наиболее сложных случаев движения. Такие препятствия могут быть как искусственного, так и природного происхождения. Примеры показаны на рисунках1.5, 1.6.

Рисунок 1.5 - Примеры преодоления ТТМ барьерных препятствий естественного происхождения (фото взяты из открытых источников)

Рисунок 1.6 - Примеры преодоления ТТМ барьерных препятствий искусственного происхождения (фото взяты из открытых источников)

Искусственные рвы необходимы для осуществления жизнедеятельности человека, строительства в народном хозяйстве, в пожарозаградительных и оборонных сооружениях. Примеры таких рвов показаны на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Искусственные разрушаемые рвы(фото взяты из открытых

источников)

В естественных условиях рвы образуются в весенне-летний период, когда после половодья талая вода уходит в естественные водоемы, при этом образуются многочисленные ручьи, которые размывают дороги, образуя непреодолимые для большинства автомобильной техники профильные препятствия. На рисунках 1.8 показаны примеры таких препятствий.

Рисунок 1.8 - Естественные разрушаемые рвы (фото взяты из открытых

источников)

Как видно из рисунков 7, 8 рвы с разрушаемыми стенками являются более общим случаем, чем жесткие рвы и вполне распространены в естественных дорожных условиях, тем более при движении по пресеченной местности. Поэтому исследование движения колесных машин через разрушаемый ров, с целью определения проходимости колесных машин является актуальным.

Для проведения исследования проходимости колесных машин необходим анализ новых условий движения.

1.4. Анализ физико-механических свойств грунтовых поверхностей

Физико-механические свойства почв - это свойства, которые проявляются при воздействии на почву внешних нагрузок. Они подразделяются на деформационные (сжимаемость, просадочность) и прочностные (связность, твердость). Важные показатели физико-механических свойств почвы - ее набухаемость и консистенция (пластичность и липкость). Более подробно характеристики полотна пути описаны в учебнике [33].

С точки зрения оценки движения колесных машин через барьерные препятствия основными характеристиками грунта достаточными для расчетов являются характеристики, описывающие сдвиговые и деформационные свойства. В научно-технической литературе достаточно подробно представлены основные характеристики грунтов. В таблицах 1.5-1.10 приведены примеры характерные для грунтовых оснований. В общем случае характеристики грунтов определяется соотношением содержания глины и песка(%). Содержание физической глины в почвах разного механического состава (%): «Песок» 0-10% (рыхлый 0-5%, связный 5-10%)«Супесь»10-20%, «Суглинок»20-60% (легкий 20-30%, средний 30-45%, тяжелый 45-60%) «Глина»более 60% (легкая 60-65%, средняя 65-80%, тяжелая более 80%.). «Дерн» имеет своей основой все тот же состав, только с содержанием гумуса, корней растений и прочих механических включений.

Данные характеристики позволят описать опорные поверхности барьерных препятствий. Также для определения проходимости необходима разработка новых математических моделей взаимодействия шасси машины с разрушаемым рвом, в том числе учитывающих динамику движения.

Для подтверждения разработанных моделей необходимо провести сравнительные испытания, в том числе разработать методику проведения эксперимента, провести замеры на опытных образцах шасси.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Папунин Алексей Валерьевич, 2019 год

источников)

В естественных условиях рвы образуются в весенне-летний период, когда после половодья талая вода уходит в естественные водоемы, при этом образуются многочисленные ручьи, которые размывают дороги, образуя непреодолимые для большинства автомобильной техники профильные препятствия. На рисунках 1.8 показаны примеры таких препятствий.

Рисунок 1.8 - Естественные разрушаемые рвы (фото взяты из открытых

источников)

Как видно из рисунков 7, 8 рвы с разрушаемыми стенками являются более общим случаем, чем жесткие рвы и вполне распространены в естественных дорожных условиях, тем более при движении по пресеченной местности. Поэтому исследование движения колесных машин через разрушаемый ров, с целью определения проходимости колесных машин является актуальным.

Для проведения исследования проходимости колесных машин необходим анализ новых условий движения.

1.4. Анализ физико-механических свойств грунтовых поверхностей

Физико-механические свойства почв - это свойства, которые проявляются при воздействии на почву внешних нагрузок. Они подразделяются на деформационные (сжимаемость, просадочность) и прочностные (связность, твердость). Важные показатели физико-механических свойств почвы - ее набухаемость и консистенция (пластичность и липкость). Более подробно характеристики полотна пути описаны в учебнике [33].

С точки зрения оценки движения колесных машин через барьерные препятствия основными характеристиками грунта достаточными для расчетов являются характеристики, описывающие сдвиговые и деформационные свойства. В научно-технической литературе достаточно подробно представлены основные характеристики грунтов. В таблицах 1.5-1.10 приведены примеры характерные для грунтовых оснований. В общем случае характеристики грунтов определяется соотношением содержания глины и песка(%). Содержание физической глины в почвах разного механического состава (%): «Песок» 0-10% (рыхлый 0-5%, связный 5-10%)«Супесь»10-20%, «Суглинок»20-60% (легкий 20-30%, средний 30-45%, тяжелый 45-60%) «Глина»более 60% (легкая 60-65%, средняя 65-80%, тяжелая более 80%.). «Дерн» имеет своей основой все тот же состав, только с содержанием гумуса, корней растений и прочих механических включений.

Данные характеристики позволят описать опорные поверхности барьерных препятствий. Также для определения проходимости необходима разработка новых математических моделей взаимодействия шасси машины с разрушаемым рвом, в том числе учитывающих динамику движения.

Для подтверждения разработанных моделей необходимо провести сравнительные испытания, в том числе разработать методику проведения эксперимента, провести замеры на опытных образцах шасси.

Полученный комплекс действий позволит разработать методику расчета профильной проходимости многоосных колесных машин при преодолении разрушаемого рва.

Таблица 1.5 - Характеристик суглинистых грунтов [6, 33]

Виды грунтов Несущая способность, МПа Модуль деформации, МПа Коэффициент внутреннего сцепления, МПа Угол внутреннего трения, град.

1 2 3 4 5

Влажность ниже предела пластичности

Легкий

суглинок 0,35.0,7 Свыше 25 0,05.0,1 24. .25

Суглинок 0,45.0,9 Свыше 35 0,06.0,12 21. .23

Глина 0,5.1 Свыше 50 0,075.0,15 15. .20

Влажность примерно равна пределу пластичности

Легкий

суглинок 0,25.0,5 До 25 0,035.0,075 21. .22

Суглинок 0.35.0,6 До 35 0,04.0,08 18. .20

Глина 0,35.0,7 До 50 0,05.0,1 11. 17

Влажность составляет 55...75% от предела пластичности

Легкий

суглинок 0,1.0,25 До 15 0,015.0,035 19. .20

Суглинок 0,175.0,3 До 20 0,025.0,04 16. .18

Глина 0,2.0,3 20.25 0,03.0,05 7. 15

Влажность примерно равна пределу текучести

Легкий

суглинок 0,07.0,08 3.4 0,01.0,012 16. .18

Суглинок 0,06.0,09 3.4 0,01.0,015 12. .15

Глина 0,05.0,09 3.4 0,01.0,015 3. 11

Влажность выше предела текучести

Легкий

суглинок 0,03.0,06 0,3.0,9 0.0,005 10. .16

Суглинок 0,02.0,04 0,5.1 0,001.0,01 3. .9

Глина 0,01.0,03 1.1,5 0,003.0,01 0. .6

Таблица 1.6 -Влияние консистенции, влажности и пористости глинистых

грунтов на сдвиговые параметры [6, 33]

Тип грунта дорожного покрытия и годовой сезон

Параметры

ь т с о н

а *

л

и_

ь т с о н

Н г)

В с

и

и ц

а

ль ма лр

ду ро до ф

3

о

д

а н и б

о г

о

д

р

уе лв и н о

т н е

и ц

и ф

ф

э о К

ог

егн

К и

е р

т у

нц да 5

л о г

о г

е

н н

е р

т у

н

да н

1

2

3

4

5

6

7

8

Рыхлая пахота:

весна

лето

осень

зима

Целина:

весна

лето

осень

зима

Уплотненная

грунтовая

поверхность:

весна

лето

осень

зима

Грунтовые

дороги:

весна

лето

осень

зима

100 35 65 90

90 40 70 85

68 52 58 65

65 50 55 62

1,1 1,2 1,15 1,12

1,2 1,35 1,3 1,2

1,35 1,55 1,45 1,25

1,4 1,55 1,45 1,8

0,5 2 1

2 8 5 80

6 15 12 60

8 15 12 60

35 40

36

26 55 30

31 60

32

32 60 29

0,008 0,065 0,025

0,01 0,06 0,025 0,015

0,025 0,045 0,04 0,03

0,03 0,045 0,04 0,035

7

14

11

7,5

7,5 14,5 10 9

11 12,5 12 11

11 12,5 12 11,5

0,1 0,5 0,2 0,15

0,1 0,5 0,2 0,2

0,15 0,6 0,2 0,2

0,15 0,6 0,2 0,2

Таблица 1.7 -Сцепные свойства глинистых грунтов от их

консистенции[6, 33]

Консистенция Глина Суглинок Супесь

глинистых грунтов Со, МПа фо, град. Со, МПа фо, град. Со, МПа фо, град.

Твердые 0,1 22 0,06 25 0,02 28

Полутвердые 0,06 20 0,04 23 0,015 26

Тугопластичные 0,04 18 0,025 21 0,01 24

Мягкопластичные 0,02 14 0,015 17 0,005 20

Текучепластичные 0,01 8 0,01 13 0,0002 18

Текучие 0,005 6 0,005 10 0,001 14

Таблица 1.8 -Сцепные свойства глинистых грунтов от их влажности и

пористости [6, 33]

Влажность глинистых грунтов на пределе пластично сти, % Параметр ы сдвига Коэффициент пористости

0,41... о,5 0,51... о,6 0,61... о,7 0,71. о,8 0,81. о,9 0,96. 1,1

9,5... 12,4 С0, МПа Ф0, град. tg Ф0 0,12 25 0,47 0,08 24 0,45 0,06 23 0,42

12,5... 15,4 С0, МПа Ф0, град. tg Ф0 0.42 24 0,45 0,21 23 0,42 0,14 22 0,40 0,07 21 0,38

15,5.18,4 С0, МПа Ф0, град. tg Ф0 0,5 22 0,40 0,25 21 0,38 0,15 20 0,36 0,11 19 0,34 0,08 18 0,33

18,5.22,4 С0, МПа Ф0, град. tg Ф0 0,68 20 0,36 0,34 19 0,34 0,28 18 0,33 0,14 17 0,31

22,5.26,4 С0, МПа Ф0, град. tg Ф0 0,82 18 0,33 0,41 17 0,31 0,36 16 0,25

Таблица 1.9 -Характеристики песчаных грунтов [6, 33]

Вид песчаных грунтов Состояние Параметры

Рг, г/см3 Е, МПа Со, МПа Фо, град.

Тонкозернистый Разрыхленный 1,4 0,3.1 0 26

(пылеватый) Средней плотности 1,6 2.4 0,001 28

Плотный 1,8 10.15 0,050 32

Мелкозернистый Разрыхленный 1,43 0,5.1 0 26

Средней плотности 1,63 2,5.4,5 0,0005 32

Плотный 1,78 12.18 0,04 34

Среднезернистый Разрыхленный 1,45 0,7.1,2 0 28

Средней плотности 1,65 2.5.5 0,0005 32

Плотный 1,75 15.20 0,03 36

Крупнозернистый Разрыхленный 1,5 1.1,5 0 30

Средней плотности 1,6 3.4 0,0005 34

Плотный 1,7 20.25 0,03 40

Таблица 1.10 -Характеристики болот [6, 33]

Вид болота Характеристика дернового покрова Толщина дернового покрова, см Показатели

Е, МПа Со, кПа Фо, град.

Моховое Преобладают

сфагновые мхи без

кустарника 33,5.38,5 260. 290 5. 8 12. 14

Тоже с кустарником 35. ..36 360. 430 10. 17 13. 16

Преобладают

Травяное гипновые мхи с

кустарником 27. 28 290. 340 8. 14 11. 15

Осоковый покров с

развитыми осоковыми 1

кочками 35. 42 1050 ..1580 6. 45 18. 20

Лесное С межкочечными

понижениями 10. 11 143. 244 4. 14 3. 8

Осушенное Березово-лесной в

межкочечных

понижениях 5. 5,5 86. 143 4. 10 17. 19

Гипново-осоково-

лесной 38. ..42 650. .1400 30. ..50 16. ..20

Выводы по 1 главе

1. Дано определение подвижности ТТМ. Показано место профильной проходимости в общей структуре поддержания подвижности ТТМ.

2.Проведен анализ существующих оценочных показателей профильной проходимости с точки зрения оценки проходимости при движении через барьерные разрушаемые препятствия.

2.1. Показано, что такие параметры профильной проходимости как: передний и задний свесы, наибольший угол преодолеваемого подъема, наибольший угол преодолеваемого косогора, углы гибкости автопоезда, угол перекоса мостов, коэффициент совпадения следов передних и задних колес, глубина преодолеваемого брода в основном определяются конструкцией шасси ТТМ.

2.2. Параметры профильной проходимости, такие как дорожный просвет, углы переднего и заднего свеса, продольный радиус проходимости, поперечный радиус проходимости, ширина преодолеваемого в поперечном направлении рва, высота преодолеваемой вертикальной стенки (эскарпа) будут зависеть от разновидности и параметров грунта, по которому происходит движение.

3. Рассмотрено как влияет разрушаемость барьерных препятствий на профильную проходимость. Доказано, что разрушаемость профильных препятствий сказывается положительно на проходимость во всех случаях, кроме преодоления рва.

4. Разработана общая схема, описывающая все многообразие профильных препятствий возникающих при движении ТТМ, в том числе их разрушаемость, Данная схема позволяет определить необходимые характеристики заново проектируемой машины или определить критические характеристики преодолеваемых препятствий для машин находящихся в эксплуатации.

5. Проанализированы существующие зависимости по оценке профильной проходимости. Показано, что все указанные модели рассматривают только

преодоление не деформируемых препятствий. Кроме того в указанных моделях не рассматривается динамика преодоления рва, что также является недостатком данных зависимостей. Из практики же известно, что чем больше скорость, тем больший ров машина может преодолеть.

6. Проанализированы примеры преодоления барьерных препятствий искусственного и естественного происхождения ТТМ. Показано, что искусственные рвы необходимы для осуществления жизнедеятельности человека, строительства в народном хозяйстве, в пожарозаградительных и оборонных сооружениях. В естественных условиях рвы образуются в весенне-летний период, когда после половодья талая вода уходит в естественные водоемы, при этом образуются многочисленные ручьи, которые размывают дороги, образуя непреодолимые для большинства автомобильной техники профильные препятствия. Доказано, что рвы с разрушаемыми стенками являются более общим случаем, чем жесткие рвы и вполне распространены в естественных дорожных условиях, тем более при движении по пересеченной местности.

7. Проведен анализ физико-механических свойств грунтовых поверхностей. Показано, что в общем случае характеристики грунтов определяются соотношением содержания глины и песка. Даны таблицы характеристик, описывающих сдвиговые и деформационные свойства.

На основании проведённых исследований и анализа научно-технической литературы были сформулированы задачи исследования.

Задачи исследования

В соответствии с проведенным анализом литературных источников и обоснованием актуальности проведения работы были сформулированы следующие задачи исследования:

1) Разработать математическую модель взаимодействия колеса машины с разрушаемым рвом, при движении по однородному и неоднородному грунту.

2) Разработать математическую модель преодоления рва многоосной машиной с колесной формулой 6х6, учитывающую особенности взаимодействия шасси с разрушаемыми стенками рва, а также квазидинамику движения.

3) Разработать классификацию физико-механических свойств условных грунтовых поверхностей по степени податливости и с учетом неоднородности.

4) Разработать методику проведения эксперимента по оценке проходимости колесных машин при преодолении разрушаемого рва, включающую определение параметров грунта однородных и неоднородных рвов.

5) Провести экспериментально-теоретические расчеты профильной проходимости на машинах с колесной формулой 6х6, при преодолении разрушаемых рвов.

6) Экспериментально проверить теоретические разработки и методики расчета по преодолению разрушаемых однородных и неоднородных рвов машиной с колесной формулой 6х6.

7) Разработать методику расчета профильной проходимости многоосных колесных машин при преодолении разрушаемого рва.

8) Практически реализовать результаты исследований при создании и совершенствовании существующих конструкций многоосных колесных машин.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРЕОДОЛЕНИЯ РАЗРУШАЕМОГО РВА МНОГООСНОЙ КОЛЕСНОЙ МАШИНОЙ

2.1. Математическая модель взаимодействия колеса машины с

разрушаемым рвом

В работах, рассмотренных в 1 главе работы, приводятся зависимости для определения максимальной ширины преодолеваемого рва. Но на практике его стенки могут осыпаться, что в свою очередь приведет к увеличению его ширины.

Рассмотрим схему, приведенную на рисунке 2.1 преодоления машиной рва с учетом его разрушаемости.

Рисунок 2.1 - Движение многоосной машины через ров

На рисунке 2.1 видно, что ров становится шире. Происходит обрушение стенок по мере прохода колес многоосной машины.

2.1.1. Математическая модель обрушения стенок рва на однородном грунте

В соответствии с работой [11, 50] схема обрушения стенок рва показана на рисунке 2.2. Слева показан проход первого колеса. Ров имеет естественный уклон у. Когда на краю рва оказывается колесо (сила ОК), то под действием этой силы будет происходить обрушение стенки по линии 1 -2 ЬХ1. И ширина рва будет увеличиваться на величину 2-3 . Соответственно срез материала будет происходить в соответствии с углом внутреннего трения материала.

При проходе второго колеса будет наблюдаться картина в соответствии со схемой на рисунке 2.2 (справа). Грунт также будет осыпаться по углу внутреннего трения материала, но уже по линии 4-5 £Х2. Соответственно, колея увеличится на 2-4 1У2 [11]. Для третьего и последующих колес уширение колее будет происходить аналогичным образом.

Рисунок 2.2 - Обрушение стенки рва при первом и втором проходах

машины [11]

Также в работе [11] рассматривается сила сопротивления разрушению грунта за счет трения по поверхности 3 (рисунок 2.3 а) и не учитываются зоны

1 и 2. На рисунке 2.3 показан клин грунта подверженный разрушению. На рисунке 2.3 а показана идеальная модель, а рисунке 2.3 б реальная, т.е. стенки 1 и 2 не параллельны и ширина клина больше ширины колеса. На рисунке 2.4 это отчетливо видно.

б

Рисунок 2.3 - Схема обрушения стенки рва

а - идеальная, б - реальная

Рисунок 2.4 - Песчаный ров после проезда ТС «Корсак»

Сила трения в зоне скольжения клина грунта будет определяться из условия трения на этом участке в соответствии с зависимостью:

ртр = ^тр(1,2) + ^тр(э), (2-1)

где Гтр(1,2) - трение на участках 1 и 2, ^р(3)- трение на участке 3.

В общем случае трение клина грунта будет определяться из выражения [6, 7, 35, 119-123]:

^рр = сА + ^ tgр, (2.2)

где с и р - связность и угол внутреннего трения грунта, А - площадь сдвига, примем, F - нагрузка перпендикулярная площадке сдвига. Для участка 1, 2 примем, что

^тр(1,2) = сА(1,2), (2-3)

где А(1,2) - площадь участка среза.

В соответствии со схемой на рисунке 2.2:

с 2 с о s(y+(¿ - 1 )<¡p ) с о s(y+¿ <¡p ) , ч л( i - 2 ) " f L«--' (24)

где § - коэффициент, учитывающий реальный процесс обрушения стенок рва (

§ = 1,1 -1,4 ).

Для участка 3 примем, что

^тр(э)= сА(з) + Ftg?, (2.5)

где А(з) - площадь участка среза.

В соответствии со схемой на рисунке 2.2

А(з)= BLxí , (2.6)

, ч г Г с о s(y + (í- 1)<р )

B - ширина колеи (колеса), Lx¿ = LY--, т.е.

%) = В LyC0 S(K; (2.7)

F = sin (Y + j?) . (2.8) Сила скольжения клина грунта будет равна

Ртр = Gw cos (Y + i?). (2.9)

Таким образом, подставив значения в уравнение (2.1), получим

с о s(y + ( l —1 )<íp)c о s(y + lp ) ¿ с о s(y + l р) = cf L y¿-- +

+ c ВL y¿ C0 s(ys+(¿; 1 ) + ^K¿s i n(y + lp)tn р.

CLpLiyi "I- bpLyi ~Ь Cp — 0,

с о s(y + ( l — 1 )р ) с о s(y + l р) ap = c<f-

bp = cB

sin (p с о s(y + ( l — 1 )р)

sin<p

Cp = 6K ¿[ s i n(y + l р ) tnp — с о s(y + l р)].

bvi —

bp 4(XpCp

Yl 2 ap

(2.10)

Проведенные исследования показали, что характер обрушения однородного грунта соответствует теоретическим исследованиям. На рисунке

2.4 показан фрагмент испытаний проведенных на песчаном полотне пути в октябре месяце 2017 на специальном ТС «Корсак» [34] Как видно из рисунка 2.4, на нем присутствуют обрушения стенок рва.

Однако зависимость (2.10) справедлива только для специально подготовленных рвов вырытых на однородном грунте типа песка. На практике это маловероятно. Общим случаем является ров на неоднородном грунте.

2.1.2. Математическая модель обрушения стенок рва на неоднородном

грунте

На рисунке 2.5 показана схема участка рва имеющего верхний слой дерна. [51, 52]

Дерн

Песок

Рисунок 2.5 - Схема обрушения стенки рва на неоднородном грунте

На рисунке 2.6 показан момент образования сдвига клина при преодолении рва на грунте с неоднородной структурой.

Рисунок 2.6 - Ров на неоднородном грунте (песок с дерном) после проезда

ТС «Корсак»

Для того чтобы учесть составляющую сопротивления от среза дерна в зависимость (2.1) необходимо ввести дополнительный член учитывающий это.

ртр = Ртр (1,2) + ртр (з) + Ртр (д), (2-11)

где ^тр (д) - трение на участке с дерном.

Как показали экспериментальные исследования, при расчете трения дерна достаточно учитывать только первое слагаемое, а срез можно считать по вертикали, что обусловлено структурой материала полотна пути. Поэтому

ртр (д )= Сд А(д) , (2-12)

где А(д) - площадь участка среза, сд - связность дерна.

В соответствии со схемой на рисунке 2.5,

А(д)= Ид (2 £ Ьп + В),

(2.13)

где Ид - толщина дерна.

Тогда зависимость (2.11) примет следующий вид:

Ош соз(у + р) = ^4 5'"(у + (/ ~ 1)р)с05(? + р) + + (? ~ 1р) +

8т р 1 $>1пр

+ 81П (У +р)+ сдкд (2 € + Б)

С О 5(у+( ¿-1 )<^)с О в(у + £р ) ^ С О в(у + £р) — С^I к-^т^- +

+ С ВIк С08(У^1)У) + СкI ^ 1 П(у + £р) Ш р + СдЛд(2 С I к + Б).

арЬу1 -Ь Ьр1^у1 "I- Ср — О,

С О 5(у + ( £ — 1 )р ) С О 5(у + £ р) 0,-р С^ ; ,

и 51П (р

с о в (у + ( £ — 1 )р ) Ьр = сВ-:-+ 2сЛЛ,

ср — Ск1 [в 1 п(у + £ р) Ш р — с о в (у + £ р)] + сд/гдВ ,

Ьр 4 С1рСр

Г1 2 ар

(2.14)

Таким образом, зависимости (2.1) - (2.14) позволяют рассчитать величину уширения рва при проходе многоосной машины.

При определении суммарного увеличения ширины рва необходимо учитывать то, что уширения после каждого прохода рассчитываются с учетом перераспределения нагрузок по движителям. При этом значения суммарного уширения для разных стенок рва (эскарпа и контрэскарпа) будут различными.

Аналитическая зависимость для расчета уширения рва для каждой стенки представлена ниже:

— £Г= 11 к, (2.15)

где п - число осей.

Ширина разрушаемого рва после прохода машины будет в общем случае рассчитываться по зависимости:

Ьрр — Ьр + 21 п, (2.16)

где - ширина рва до разрушения стенок.

Рассматриваемое увеличение ширины рва будет способствовать снижению проходимости шасси, в том числе застреванию. Очевидно, что преодолению рва будет способствовать скорость движения шасси, поэтому необходимо рассматривать движение именно в динамике. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

2.2. Математическая модель преодоления рва многоосной машиной с

колесной формулой 6х6

Рассмотрим модель движения многоосной колесной машины через ров. Уравнение движения шасси примет следующий вид [53]:

= (2.17)

где Е;^ - сумма тяговых сил на колесах шасси, Еу^/у - сумма сил

сIV

сопротивления, т - масса шасси, — - ускорение.

Также, при преодолении рва шасси будет совершать вращательное движение, заваливаясь в ров. Уравнение примет вид:

(2.18)

где Е М - сумма моментов сил, действующих на шасси, / - момент инерции,

йш

— - угловое ускорение.

При движении с различными скоростями величина клевка вниз рва передней частью шасси будет определяться размерами машины и рва, параметрами грунта, а также скоростью движения. Важными являются развесовка и положение центра масс, расположение колес по базе и их число. В зависимости от этих параметров схема преодоления рва многоосной машиной будет разной.

Рассмотрим на примере шасси с колесной формулой 6х6 схему преодоления рва и характерные моменты движения. При этом введем ряд

допущений, часть которых соответствует конструкционным параметрам опытного образца шасси.

1. Развесовка по левому и правому колесу одной оси шасси одинакова, условия движения для обоих бортов одинаковые.

2. При решении задачи преодоления рва принимаем, что равнодействующая сил возникающих в контакте колеса с опорным основанием сосредоточена по середине колеса и проходит через ось вращения.

3. Положение центра масс при движении не меняется относительно элементов движителя.

4. Оси вращения колес относительно центра масс шасси остаются неподвижными, т.е связь колес с корпусом шасси абсолютно жесткая.

5. Влияние прогиба шин, который изменяется при динамических нагрузках, возникающих при преодолении рва и перераспределении реакций по движителям, не учитываем и считаем постоянным.

6. Считаем, что при преодолении рва скорость постоянна.

7. Внешние силы действующие на шасси при движении, лежат в плоско -сти его движения.

8. Давление воздуха в шинах вездехода соответствует номинальному.

9. Буксование и скольжение колес отсутствует, расчеты проводятся до срыва грунта.

10. Предельные нагрузки на элементы вездехода ограничены уровнем допустимых ускорений не превышающим 0.7 G.

2.2.1. Анализ типовых состояний преодоления рва колесной машиной

На рисунках2.7-2.11 приведем схемы и аналогичные им фрагменты (1-У) с испытаний. Рассмотрим их подробнее.

1:На рисунке 2.7 а машина начинает преодолевать ров при этом происходит обрушение первой стенки рва. Нагрузка распределена по всем колесам машины. Схема показана на рисунке 2.7 б.

11:На рисунке 2.8 а показано последующее движение машины. Происходит клевок машины вперед. При этом величина того на сколько

машина «клюнет» вперед будет зависеть от массово-габаритных, инерционных параметров машины, от скорости движения и от размеров рва. Схема движения шасси показана на рисунке 2.8 б. При этом описать движение машины можно уравнениями поступательного и вращательного движения.

111:На рисунке 2.9 а показан упор машины в обрушенный уступ, при этом видно, что машина наклонена значительно. На рисунке 2.9 б дана схема. Способность машины проехать ров будет определяться схемой в соответствии с данным рисунком. Условием движения будет случай, когда сумма моментов, которые вращают машину по часовой стрелке будут больше тех, которые вращают против часовой. А критическим условием движения равенство моментов. При этом может быть определена критическая ширина рва.

IV:На рисунке 2.10 а показан момент, когда шасси уже преодолело стенку рва. На рисунке 2.10 б показана схема.

V: Далее на рисунке 2.11 а показан момент переезда рва колесами первой и второй оси. На рисунке 2.11 б дана схема. В принципе, в данном случае тоже может наблюдаться клевок машины, но назад. Но для схемы шасси с центром масс, смещенным вперед, данное явление можно не учитывать при преодолении рва, а условием преодоления рва считать условие по схеме на рисунке 2.9 б. Обоснованность данного утверждения подтверждена тем, что, как правило, для многоосных шасси аналогичных рассматриваемому, центр масс смещен вперед.

Отметим, что подход к расчету максимального преодолеваемого рва для машин с центром масс позади средней оси, аналогичен представленному. Но так как в качестве объектов исследования были машины с колесной формулой 6х6 и с центром масс смещенным вперед, то во всех дальнейших расчетах учитывался именно этот факт.

Также отметим, что колебания шасси при преодолении рва неизбежны из-за наличия всякого рода флуктуаций. Данное явление в расчетной модели не учитывалось.

б

б

б

б

б

2.2.2.Математическая модель динамики преодоления рва многоосной

колесной машиной

В соответствии с принятыми допущениями рассмотрим более подробно схему преодоления критического значения ширины рва (Рисунок 12).

Рисунок 2.12 - Схема к расчету критического значения ширины

разрушаемого рва

Рассмотрим схему на рисунке 2.12 более подробно.

Расчет клевка машины вперед производится в соответствии с уравнением вращательного движения. В общем случае он будет определяется из выражения:

/ £ — СЛ — — ^Лкр — тйа (2.19)

где / - момент инерции шасси, £ - вращательное ускорение, Са - вес машины, - плечо действия силы, , - расстояние от центра масс до 2-ой

оси шасси, а - угол клевка машины, Fw - сила сопротивления воздуха, hw -высота центра парусности, FKp - сила сопротивления от крюковой нагрузки, hKp - высота приложения крюковой нагрузки, та - масса машины, а -ускорение шасси, hg - высота центра масс.

В случае установившегося движения с небольшой скоростью и при том, что значения клевка машины невелики можно принять, что:

£ = (2.20)

Величину клевка можно определить в зависимости от ширины рва: она будет определяться в соответствии с уравнением движения.

£t2

а = а0 + о 0t + — (2.21)

где а0 - начальный угол, а0 = 0, о0 - начальная угловая скорость, о0 = 0, t -

- * 5 с

время движения через ров до контакта со стенкой, t = - ,S - ширина рва от

разрушенного уступа, до контакта со стенкой.

Таким образом, величина клевка может быть рассчитана по зависимости:

hK = ( I 1 + I2) siпа, (2.22)

где 11 - расстояние от центра масс до 1-ой оси шасси.

Рассмотрим взаимосвязь параметров в соответствии со схемой на рисунке

2.12.

Са = Rz 1 + £z2, (2.23)

= k (2.24)

RZ2 lb

I а = 1 -iC о sa + rfls i п/?, (2.25)

где - динамический радиус колеса.

Угол // будет определяться исходя из зависимости:

// = min[9 0 — (ср + у); arc с о s( 1 — hKr~-)] , (2.26) где р - угол внутреннего трения грунта, у - угол откоса стенки рва [6].

Для оценки возможности движения, рассмотрим уравнения движения шасси. Спроецируем силы на оси ОХ, ОУ и рассмотрим равенство моментов относительно точки контакта первого колеса со стенкой рва.

Х\ FTlcosД - /^соя/? - Иятр + ¥Тг - - ¿V - = т^

У: ^ БЫР - Л БЫР + ЫсобР + - ва = т^-

1 ' 1 / 2 м ч (2.27)