Повышение эксплуатационных показателей автомобиля специального назначения путем совершенствования конструкции фронтального отвала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ершов Владимир Сергеевич

• Ершов Владимир Сергеевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Ершов Владимир Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ условий зимней эксплуатации автомобилей специального назначения при содержании дорожных покрытий

1.2. Анализ существующих автомобилей специального назначения с установкой отвала

1.3. Основные виды фронтальных отвалов в составе автомобилей специального назначения

1.4. Технические характеристики объекта исследований

1.5. Выводы. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ С УСТАНОВКОЙ ФРОНТАЛЬНОГО ОТВАЛА

2.1. Определение силовых факторов, влияющих на эксплуатационные показатели автомобиля специального назначения с установкой фронтального отвала

2.2. Расчет установки фронтального отвала

2.3. Влияние суммарного сопротивления движению на тягово-динамическую характеристику базового шасси

2.4. Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ АВТОМОБИЛЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ С УСТАНОВКОЙ ФРОНТАЛЬНОГО ОТВАЛА

3.1. Трехмерная модель установки фронтального отвала

3.2. Выбор эквивалентной расчетной схемы элементов установки фронтального отвала автомобиля специального назначения

3.3. Моделирование нагруженного состояния рамы фронтального отвала с направляющими в сборе с кронштейнами и подвеской автомобиля специального назначения

3.4. Моделирование нагруженного состояния рамы установки фронтального отвала автомобиля специального назначения

3.5. Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ С УСТАНОВКОЙ ФРОНТАЛЬНОГО ОТВАЛА

4.1. Определение экономической эффективности применения усовершенствованной установки фронтального отвала автомобиля специального назначения в сравнении с аналогами

4.2. Оценка экономической эффективности применения разработанной методики при зимнем содержании автомобильных дорог

4.3. Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Расчетные значения силы инерции снега, вырезаемого из

массива

Приложение Б. Расчетные значения силы инерции снега, вырезаемого из массива

Приложение В. Расчетные значения перпендикулярной к отвалу суммарной

составляющей сил инерции и трения призмы волочения по снегу

Приложение Г. Расчетные значения сопротивления перемещению призмы

волочения

Приложение Д. Расчетные значения сопротивления подъему снега Wп0д

Приложение Е. Расчетные значения суммарного продольного сопротивления на

максимальном и минимальном углах поворота фронтального отвала

Приложение Ж. Акты внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эксплуатационных показателей автомобиля специального назначения путем совершенствования конструкции фронтального отвала»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время безопасность и качество осуществления транспортного процесса неразрывно связаны с погодными условиями и сцепными качествами покрытий, как автомобильных дорог, аэродромных покрытий. Проблема содержания покрытий данного вида в зимний период времени является одной из наиболее актуальных, поскольку на их поверхности образуются ледяная корка и снежный покров, что приводит к значительному снижению сцепных качеств транспортных средств.

Прогнозирование места и времени образования зимней скользкости является сложным процессом, поэтому своевременность принятия мер по поддержанию требуемого уровня сцепных качеств покрытий должна быть обеспечена.

Для удаления снежного покрова используются автомобили специального назначения с конструкцией фронтального отвала, реализующие один из наиболее распространенных методов ликвидации зимней скользкости дорожных и аэродромных покрытий - механический. Следует отметить невысокую эффективность ликвидации зимней скользкости ввиду ограничивающего влияния существующих конструкций рабочих органов автомобилей данного вида.

В существующих в данной области работах проблема совершенствования режимов движения и их влияние на эксплуатационные показатели базового шасси автомобилей специального назначения в зависимости от конструкционных параметров рабочего органа и особенностей работы в зимний период времени не отражена в достаточной мере.

Совершенствование дополнительного оборудования, устанавливаемого на автомобили, предназначенные для устранения последствий снегопадов и образования льда, не требует существенного увеличения мощности их приводов. Повышение скоростного режима работы автомобилей специального назначения при выполнении работ по зимнему содержанию дорожных и аэродромных

покрытий требует выбора оптимальных настроек и конструктивных решений, в связи с ростом величины сопротивления движению базового шасси.

Таким образом, актуальность настоящего исследования обусловлена необходимостью повышения эксплуатационных показателей автомобилей специального назначения с установкой фронтального отвала за счет обеспечения оптимальной рабочей скорости движения для повышения безопасности транспортного процесса, как на автомобильных дорогах общего пользования, так и на территориях аэродромов в зимний период с одновременным снижением затрат на их содержание.

Степень разработанности проблемы. Существенный вклад в изучение процесса повышения эксплуатационных показателей автомобилей специального назначения внесли исследования отечественных ученых Болдина А.П., Сарбаева В.И., Чусовой А.С., Уханова А.П., Рыблова М.В., Мерданова Ш.М., Конева В.В., Балина А.В., Половникова Е.В., Бородина Д.М., Стукача А.В., Соловьева А.А. Кустарева Г.В., Савельева А.Г., Доценко А.И., Павлова С.А., и др. Работы вышеупомянутых авторов определили основные направления в решении задач исследования эксплуатационных особенностей базовых шасси специальных автомобилей с установкой дополнительного оборудования и оценке эффективности эксплуатационного процесса в целом.

Теоретическая часть исследования, основанная на постановке и решении задачи повышения скорости движения автомобиля специального назначения с фронтальным отвалом, базировалась на научный трудах ряда отечественных авторов: Закирзаков Г.Г., Тютяев И.Ю., Пить А.И, Кошелев Ю.В., Согин А.В., Соколов Д.А., Шаров Д.В.

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационных показателей автомобиля специального назначения на основе совершенствования установки фронтального отвала, обеспечивающего увеличение средней скорости движения при осуществлении процесса по содержанию дорожных покрытий в зимний период.

Для достижения цели в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ эксплуатационных свойств современных автомобилей специального назначения с установкой фронтального отвала, эксплуатируемых для нужд зимнего содержания дорожных и аэродромных покрытий, а также определить технические характеристики базового шасси.

2. Провести исследования по определению силовых факторов, влияющих на эксплуатационные показатели автомобиля специального назначения с фронтальным отвалом в зависимости от скорости движения и физико-механических свойств снега при различных условиях.

3. Разработать методику повышения эксплуатационных показателей автомобиля специального назначения с установкой фронтального отвала.

4. Провести оценку эксплуатационных свойств автомобиля специального назначения с усовершенствованной установкой фронтального отвала, на основе моделирования нагружения при осуществлении рабочего процесса по разработке снежного покрова

Объектом исследования являются автомобиль специального назначения с установкой фронтального отвала.

Предметом исследования являются эксплуатационные свойства автомобиля специального назначения.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Определены границы применимости использования различных конструктивно-технологических решений автомобилей специального назначения с установкой фронтального отвала для условий по зимнему содержанию автомобильных дорог общего пользования и аэродромных покрытий.

2. Установлена закономерность влияния толщины и плотности снежного покрова на режим движения, тягово-динамическую характеристику и расход топлива базового шасси автомобиля специального назначения с установкой фронтального отвала.

3. Экспериментально установлены и уточнены оптимальные режимы движения автомобиля специального назначения с установкой фронтального

отвала с учетом суммарного сопротивления движению применительно к условиям внешней среды.

4. Предложена трехмерная модель усовершенствованного фронтального отвала и проведено моделирование нагружения при осуществлении рабочего процесса по разработке снежного покрова в составе автомобиля специального назначения.

Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы заключается в следующих положениях:

1. Реализован способ получения суммарного сопротивления движению автомобиля специального назначения с установкой фронтального отвала при действии сопротивления снега резанию, сопротивления трения призмы волочения о поверхность снежного массива перед отвалом, силы инерции снега, вырезаемого из массива, сопротивления перемещению призмы волочения вдоль отвала, сопротивления подъему вырезаемой из массива снега стружки вверх по отвалу, сопротивления трению фронтального отвала по заснеженной дороге, сопротивления движению базовой машины.

2. Определены оптимальные режимы движения автомобиля специального назначения с установкой усовершенствованного фронтального отвала для достижения максимальной эффективности при разработке снега.

3. Проведен расчет напряжений, линейных деформаций, определен коэффициент запаса прочности элементов усовершенствованного фронтального отвала в наиболее нагруженном состоянии на основе метода конечных элементов.

Методология исследования основывается на системном анализе решений фронтальных отвалов автомобилей специального назначения, а также теории расчета сил сопротивления движению и теории тягово-динамического расчета автомобиля, теории планирования эксперимента, методах конечно-элементного моделирования, теории прочности, методах оценки эффективности использования автомобилей специального назначения при различных условиях эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту:

1 Методика повышения эксплуатационных показателей автомобиля специального назначения с установкой фронтального отвала.

2. Зависимости эксплуатационных параметров базового шасси автомобиля специального назначения с установкой фронтального отвала от суммарного сопротивления движению.

3. Результаты оценки эксплуатационных свойств автомобиля специального назначения с усовершенствованной установкой фронтального отвала, полученные на основе моделирования нагружения при осуществлении рабочего процесса по разработке снежного покрова.

Область исследования соответствует следующим пунктам паспорта научной специальности 2.9.5. - Эксплуатация автомобильного транспорта:

Пункт 4. Разработка требований к эксплуатационным свойствам автотранспортных средств разного назначения, к прицепам и полуприцепам, специальным кузовам, погрузочно-разгрузочному оборудованию и методов их оценки, обоснование рациональной структуры парка;

Пункт 20. Закономерности изменения технического состояния специальных автомобилей, закономерности формирования суммарной интенсивности эксплуатации, наработки шасси и навесного оборудования, влияние параметров навесного оборудования и режимов его работы на надежность базового автомобиля.

Личный вклад автора.

Основные идеи положенные в основу разработки методики повышения эксплуатационных показателей автомобиля специального назначения с установкой фронтального отвала принадлежат автору и заключаются в:

- установлении зависимости эксплуатационных показателей базового шасси автомобиля специального назначения с установкой фронтального отвала от суммарного сопротивления движению;

- определении оптимальных режимов движения автомобиля специального назначения с установкой усовершенствованного фронтального отвала для достижения максимальной эффективности в процессе эксплуатации.

Степень достоверности обеспечена математическим аппаратом, подкрепленным теоретическими основами проведения расчетов рассматриваемого рабочего органа, а также применением методов математического конечно-элементного моделирования в качестве основного инструмента и достаточным количеством проведенных экспериментов.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в рабочий процесс предприятия ООО «СпецАгрегат», а также используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)».

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на международных конференция:

1. 81-я Международная научно-методическая и научно-исследовательская конференция МАДИ, 30 января - 03 февраля 2023 года (г. Москва);

2 TIRVED-2022. 2022 Intelligent technologies and electronic devices in vehicle and road transport complex, 10-11 ноября 2022 года (г. Москва).

3. III Международный научный конгресс «Современная наука, человек и цивилизация», 23-25 декабря 2022 года (г. Грозный).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ. Из них 4 работы в рецензируемых изданиях из перечня, размещенного на официальном сайте ВАК Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и 2 в изданиях, индексируемых в международной базе научного цитирования Scopus, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и семи приложений. Общий объем составляет 162 страницы машинописного текста, включающие 54 рисунка и 37 таблиц. Список литературы содержит 122 наименования, в том числе 6 источников на иностранном языке.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ условий зимней эксплуатации автомобилей специального назначения при содержании дорожных покрытий

Обеспечение и поддержание высокого качественного уровня состояния автомобильных дорог общего пользования, городских улиц, аэродромных покрытий является одной из главных задач, решаемой посредством использования автомобилей специального назначения, особенно в зимний период. На протяжении всего жизненного цикла дорожных покрытий необходимо предпринимать комплекс мер, позволяющий обеспечить требуемый скоростной режим и непрерывность движения транспортных потоков, в т.ч. других видов транспорта, безопасность и интенсивность всех участников дорожного движения, включая особенности экологической безопасности и рациональной организации движения автомобильного транспорта.

Согласно статистическим данным Гидрометеоцентра России за 2022 год, представленным в виде графиков на рисунках 1.1 и 1.2, в среднем, только в Московской области на зимний период приходится около 600 мм снеговых осадков [31].

250 мм 250 мм

янв. февр. март апр. май июнь июль авг. сент. окт. нояб. дек.

Снеговые осадки янв. февр. март апр. май июнь июль авг. сент. окт. нояб. дек.

Шереметьево 203,8 мм 169,7 мм 114,8 мм 33,1 мм 1,5 мм 0,2 мм ОгОмм 0,0 мм 0,8 мм 37,3 мм 145,2 мм 213,0 мм

Домодедово 187.2 мм 151,3 мм 92,7 мм 23,6 мм 0,6 мм 0.0 мм 0,0 мм 0,0 мм 0,2 мм 26,9 мм 113,6 мм 184,1 мм

Внуково 199,2 мм 163,0 мм 106,2 мм 29,1 мм 0,7 мм 0.0 мм 0.0 мм 0.0 мм 0,6 мм 33,8 мм 134,3 мм 206.6 мм

Рисунок 1.1 - Среднее количество снеговых осадков, накопленных в течение скользящего 31-дневного периода с центром в рассматриваемый день.

Рисунок 1.2 - Среднемесячное количество снежных осадков в зимний период

Большое количество осадков в зимний период времени указывает на высокую интенсивность снегопадов, а также их следствие - затруднение транспортного сообщения при эксплуатации автомобильного и других видов транспорта.

Следует отметить, что проблема содержания дорожных покрытий в зимний период времени является крайне актуальной для ряда «северных стран» - Российской Федерации, Швеции, Норвегии, Финляндии, Дании, и Канады.

Основная статья расходов при зимнем содержании объектов дорожно-транспортной инфраструктуры приходится в основном на снегоуборочные работы. При этом, одним из основных факторов, влияющих на процесс подготовки дорожных покрытий, является средняя скорость движения специальных автомобилей с конструкцией фронтального отвала. Увеличение данного параметра позволит снизить трудоемкость работ, утомляемость оператора и издержки рабочего процесса по разработке снега. На основании вышеизложенного можно определить цель настоящего исследования, как повышение эксплуатационных показателей автомобиля специального назначения с установкой фронтального отвала.

В настоящее время для разработки снега на автомобильных дорогах, автомагистралях, а также ВПП аэродромов и прилегающих к ним территориях используют в основном методы механического воздействия, химического, комбинированные и тепловые (таяние снега). Конкретное решение по выбору

того или иного метода очистки дорожного покрытия принимается, прежде всего исходя из условий проведения очистных работ и текущего уровня снежного покрова [1, 3].

Таким образом возможно снизить энерго- и ресурсоемкость проводимых работ, поскольку характеристика снежного покрова напрямую влияет на данные показатели за счет уплотнения/образования корки льда и т.д.

На качественную характеристику снегоуборочного процесса непосредственное влияние оказывают автомобили специального назначения и конструкция их рабочих органов [10]. Как правило, данные транспортные средства оснащаются широким рядом различного дополнительного оборудования по типу фронтальных отвалов [5], щеточных узлов [64], снегопогрузчиков [20], плавильнями снега, в т.ч. роторным оборудованием для измельчения снежной массы. Фронтальные отвалы являются одним из наиболее распространенных типов дополнительного оборудования, поскольку имеют простую конструкцию, являются универсальными, что позволяет использовать их в составе различных автомобилей-носителей и способствует росту парка подвижного состава с подобными рабочими органами.

Среди общего числа показателей, характеризующих качество зимнего содержания дорожных покрытий, выделяют основные [14, 24, 38]:

- ширина очищаемой поверхности;

- толщина разрабатываемого снежного покрова (с момента начала снегопада до момента очистки покрытия/слой, образованный в перерыве между заходами автомобиля специального назначения);

- толщина уплотненного снежного покрова на дорожном покрытии;

- время разработки снега.

Для улучшения вышеперечисленных показателей применяется различные исполнения комбинированных автомобилей специального назначения с фронтальными, боковыми отвалами и рабочими органами других видов.

1.2. Анализ существующих автомобилей специального назначения с

установкой отвала.

Снегоуборочные автомобили, большое распространение в конструкциях которых занимают фронтальные плужные отвалы, в наше время очень разнообразны, однако немногие из них производительны и универсальны. Разработка различных модификаций рабочих органов, применение новых способов очистки территорий от снега позволят повысить безопасность транспортного процесса, эффективность выполняемых работ, а также расширить область их применения и уменьшить приведенные затраты [4, 7, 33, 106].

Комбинированные автомобили специального назначения - один из основных видов автомобилей, используемых в составе уборочного комплекса и обеспечивающих уборку автомобильных дорог общего пользования, аэродромного полотна и прилегающих территорий в зимний и летний периоды (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Применение автомобилей специального назначения в составе

уборочного комплекса

Основная задача автомобилей данного вида - выполнение комплексной уборки при круглогодичном обслуживании автомобильных дорог общего пользования, ВПП и РД аэродромов и прилегающих территорий, с обеспечением высоких показателей производительности и качества уборки. Внешний вид комбинированного автомобиля специального назначения представлен на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Внешний вид комбинированного автомобиля специального

назначения

Эксплуатационное содержание искусственных покрытий элементов летного поля в летний период с помощью комбинированного автомобиля специального назначения включает в себя [49, 61, 70]:

- очистку покрытий от грязи, пыли, мусора, металлического мусора и других посторонних предметов;

- удаление резиновых отложений, битумных и масленых пятен и других загрязнений с поверхности покрытий;

- удаление луж после обильных осадков в местах застаивания воды на поверхности покрытий.

Эксплуатационное содержание искусственных покрытий элементов летного поля в зимний период с помощью комбинированного автомобиля специального назначения включает:

- очистку покрытий от снега и наледи.

Для обеспечения указанных функций комбинированного автомобиля специального назначения он оснащается основными функциональными агрегатами: фронтальным отвалом, центральной щеткой, продувочным устройством и магнитной плитой [56].

В тесных перронных зонах, в частности, легко управляемый маневренный эффективный погрузчик с хорошим обзором работает лучше, чем любое другое

оборудование. Ограничение скорости такого типа машины обусловлено прежде всего недостатками подвески и тихоходных шасси. Данный тип специального автомобиля не следует использовать постоянно на скорости более 8-16 км/час, и, как следствие, в ходе эксплуатации выбираются меньшие скорости, поскольку на больших скоростях возникают толчки, нагрев внутри колеса шасси и в итоге отрыв протектора [28, 45, 48, 111]. Когда необходимо произвести очистку больших площадей в условиях ограниченного времени подготовки покрытия, как правило, используют классическую комбинацию фронтальный отвал на базе грузового автомобиля.

Носители фронтальных отвалов различных типов могут классифицироваться следующим образом:

1) Носители фронтальных отвалов стандартного грузового типа. Это стандартные выпускаемые грузовики, отвечающие требованиям к носителям плужных снегоочистителей, типовое исполнение которых представлено на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Пример носителя фронтального отвала грузового типа

2) Большие носители фронтальных отвалов для специальных целей. Производимые по специальному заказу автомобили, изготавливаемые с целью осуществления широкорядной очистки снега и обладающие высокой производительностью (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Носитель фронтального отвала для специальных целей

3) Колесные погрузчики (погрузчики переднего типа с опрокидывающимся назад ковшом). Это стандартное производственное оборудование, используемое для специальных операций по удалению снега на небольших скоростях, таких как удаление снега на перронах, погрузка, буртовка и удаление снега возле огней ВПП и в других ограничительных зонах (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 - Колесные погрузчики

4) Промышленные тракторы (колесная формула 4*4). Представляют собой производственное оборудование стандартного типа, имеющее гидропривод [6]. Применяется в аналогичных случаях, что и колесные погрузчики, но обладают большей скоростью разработки снега. Не осуществляют погрузку снега.

Рисунок 1.8 - Промышленные тракторы

Наиболее предпочтительными для обслуживания ВПП являются большие носители для специальных целей, а также носители отвалов стандартного грузового типа [9, 69, 75, 82]. Но тем не менее не стоит исключать значимость остальных плужных снегоочистителей, поскольку все виды плужных снегоочистителей благополучно используются в ходе проведения работ по зимнему содержанию дорожных покрытий и аэродромов для тех или иных целей.

В ходе обзора существующих комбинированных автомобилей специального назначения с установкой фронтального отвала были рассмотрены следующие марки:

1. МКУ-7802.01 в зимнем исполнении (с оборудованием DOBROWOLSKI, Польша);

2. МКДУ-2 (ТОМЕЗ- 4000ТМ);

3. КДМ 650-07 (Россия);

4. ДМК-50 (Россия);

5. «Schmidt» (Швейцария);

6. «Bucher» (Швейцария).

Технические характеристики рассмотренных автомобилей специального назначения с установкой фронтального отвала приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Сравнительная таблица технических характеристик автомобилей

специального назначения с установкой фронтального отвала

Марка автомобиля (марка фронтального отвала) Базовое шасси Длина отвала, м Рабочий угол поворота, град Максимальна я рабочая скорость, км/ч

МКУ-7802.01 в зимнем исполнении (с оборудованием DOBROWOLSKI) КамАЗ -53605 2,7-3,25 30 до 55

МКДУ-2 (ТОМЕЗ-4000ТМ) КамАЗ -65115 4,0 35 до 40

КДМ 650-07 (-) КамАЗ 65115 3,0 40 до 40

ДМК-50 (ОПАГ-3Р) КамАЗ -53605 4,6 5-43 до 50

Aebi-Schmidt (MS 40.1 NA) MAN TGS 18.360 2,7-3,2 30-32 до 50

BUCHER (KH) КамАЗ, MERCEDES, VOLVO, SCANIA 3,4 30 до 40

(BUCHER L/М) КамАЗ, MERCEDES, VOLVO, SCANIA 2,8-4,5 30 до 40

SCHMITD CJS (-) MERCEDES, VOLVO, SCANIA 4,8 32 до 50

Ключевым недостатком представленных в таблице 1.1 автомобилей специального назначения с установкой фронтального отвала является максимальная рабочая скорость, которая, в свою очередь, не превышает 55 км/ч, а максимальная толщина разрабатываемого снежного покрова на данной скорости движения составляет не более 0,05 м. Также, несмотря на широкий диапазон угла поворота фронтального отвала, ширина очищаемой полосы не превышает 4,1 м.

Следует отметить, что в отличие от рассмотренных выше аналогов, разрабатываемое в ходе настоящей работы решение позволит обеспечить

оптимальные эксплуатационные показатели и режимы движения автомобиля специального назначения.

1.3. Основные виды фронтальных отвалов в составе автомобилей

специального назначения

Одной из наиболее распространенных конструкций фронтальных отвалов является прямой отвал ввиду своей универсальности, которая заключается в возможности его использования в составе различных автомобилей-носителей [29, 55, 71, 81].

Фронтальный отвал предназначен для проведения работ по очистке дорог общего пользования, аэродромных покрытий, прилегающих к ним территорий посредством сдвига снежного покрова [35, 39, 66].

Благодаря простоте конструкции, а также металлоемкости фронтальные отвалы получили широкое распространение ввиду простоты изготовления и особенностям исполнения систем крепления (навески) на автомобили специального назначения различных видов. В настоящее время известны конструкции отвалов одностороннего типа, осуществляющие отбрасывание снежного покрова непосредственно в одну сторону от полотна, а также двухсторонние, имеющие возможность отбрасывания снега на обе стороны [12]. В зависимости от специфики разработки снега возможно использование дополнительных рабочих органов в виде боковых отвальных крыльев, которые осуществляют сдвиг снега за границы дорожного покрытия, представленные на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Вариант автомобиля специального назначения с установками

фронтального и боковых отвалов

Отвалы различают по конструкции:

- облегченная;

- комбинированная;

- металлическая;

- секционная.

По механизму:

- поворотные (механические и гидромеханические);

- неповоротные.

По прямому назначению фронтальные отвалы подразделяются на:

- скоростные отвалы (осуществляют отбрасывание снега в сторону на расстояние от 15 до 20 м при скорости движения до 80 км/ч);

- сдвигающие отвалы (осуществляют сдвиг снежного покрова при скорости движения автомобиля специального назначения от 40 до 45 км/ч).

Высота крыла скоростного вала справа и слева по ходу движения равна 1310 и 770 мм соответственно. У обычного снегоочистительного оборудования этот показатель на протяжении всей ширины составляет около 900 мм [73, 76, 98, 110].

Скоростные отвалы для уборочной техники весят больше, чем обычные отвалы.

В целях повышения прочности скоростные отвалы изготавливаются скругленными. Обычные отвалы, выполненные из стекловолокна в силу крепкости материала, в нижней части не загибается. Толщина ребер жесткости снегоочистительного оборудования скоростного типа составляет 10 мм. У обычных аналогов этот показатель равен 6 мм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ершов Владимир Сергеевич, 2023 год

использование

Фронтальный отвал может иметь различную конструкцию, однако она должна обеспечивать установленную заводом-изготовителем скорость очистки дорожного полотна от снега в пределах установленного захвата, а также минимально возможные пропуски снега и слякоти. Отвалы, согласно техническим характеристикам должны использоваться по своему прямому назначению. Например, двусторонние отвалы, при парной работе со снегомётами должны удовлетворять всем режимам движения колонны автомобилей специального назначения вне зависимости от физико-механических свойств снежного покрова. Ниже представлены основные типы

отвалов, которые составляют группу плужных снегоочистителей, и требования к ним [50].

1) С конусообразным ножом, односторонние, правые или левые.

Предназначены для высокопроизводительных скоростных

снегоочистительных работ на автомобильных дорогах, ВПП и в прилегающих местах. Снегоочистительный отвал представлен односторонним плугом (выброс снега осуществляется только в одном направлении) с конусообразным отвальным ножом, управляемым гидравлическим образом водителем из кабины автомобиля специального назначения. Нож в зависимости от размера плуга может быть иметь длину от 0,60 до 0,76 м и высоту от 1,27 в начале и до 2,03 м в конце отвала соответственно. Устройство должно включать сигнал безопасности движения, а также регулируемый вручную или механически наклон ножа для целей обычной работы на таких участках, как перроны и ВПП. Если он оборудован кромками, выполненными из карбида вольфрама, то отвал не должен использоваться на искусственных покрытиях с вмонтированными огнями. В этих зонах рекомендуется использовать резиновые или полиуретановые кромки. Отвалы такой конструкции не обладают универсальностью переворачиваемого типа и не рекомендуются для общего использования в аэропортах [85, 90].

2) Обычный двусторонний, с механическим приводом.

Согласно классификации, большие фронтальные отвалы предназначены для высокопроизводительной высокоскоростной очистки покрытий автомобильных дорог и ВПП с отбрасыванием снега направо или налево от положения при перемещении на выбранных углах резания (рисунок 1.14). Снежный отвал должен иметь комплект съемных ножей и быть оборудован съемными кромками; он управляется гидравлически посредством обычных рычагов, расположенных в кабине водителя [83]. Конструкция отвального ножа должна быть такой, чтобы вольфрам-карбидовые и резиновые/полиуретановые кромки можно было взаимно заменять. Механически управляемый реверсивный механизм должен позволять устанавливать нож минимум в четыре положения с

каждой стороны при сгребании, максимальная установка угла ножа ограничивается 35-40°. Установка должна быть оборудована устройством автоматического блокирования и разблокирования ножа, вибрационной или плавающей ведущей рамой и, когда это предусмотрено, устройствами для выключения ножа. Отвал должен быть оборудован навинчиваемыми сменяемыми башмаками или роликами, когда предусматривается неметаллическое лезвие. Может предусматриваться регулируемый наклон ножа, если рабочий орган предполагается использовать для общей цели очистки. Длина отвала может быть от 1,8 до 6 м по режущей кромке, а высота от 0,88 до 1,20 м. Если отвал предполагается использовать на площадях с искусственным покрытием, где имеются вмонтированные в поверхность огни, то рекомендуется использовать резиновую или полиуретановую кромку вместо выполненной из карбида вольфрама. Могут предусматриваться глубоко закругленные оконечности входа/выхода для улучшения отбрасывания снега.

3) Переворачиваемый со стальной кромкой.

Данный тип отвала предназначен для высокоскоростной высокопроизводительной очистки, требующей отбрасывания снега влево или вправо под установленным углом резания [109]. Это устройство не рекомендуется использовать в зонах, оборудованных вмонтированными в искусственное покрытие огнями, и оно не имеет взаимозаменяемых резиновых или полиуретановых ножей. Отвал такого типа имеет конусообразный по всей длине нож и возможность поворота ножа относительно горизонтальной оси на 180°, что позволяет очищать и отбрасывать снег вправо или влево. Как правило, конструкции данного вида имеют гидравлическое управление с обычными рычагами в кабине для подъема, опускания и поворота ножевой системы. Нож должен иметь тот же фиксированный угол, когда поворачивается направо или налево, и возможность замены кромок. Необходимо предусмотреть блокирование и удержание ножа в вертикальном положении, а также соответствующий зацеп для установки ножа на автомобиль специального назначения. Длина отвала может быть от 3 до 4 м по режущей кромке, а высота,

в зависимости от размера от 1,50 до 1,80 м. Переворачиваемые отвалы не снабжаются автоматически выключающимися ножами.

Рисунок 1.14 - Виды снегоочистительных отвалов

4) Боковой отвал, регулируемого уровня, левосторонний или правосторонний. Предназначен для работ большого объема по удалению снега. Он должен обеспечивать работу регулируемым ножом на различной высоте снежных валов и выравнивание/подрезание сугробов [25]. Устройство должно быть также способно проводить скоростную снегоочистку вместе с соответствующим установленным фронтальным отвалом. Оно не предназначено для использования в зонах, где имеются вмонтированные в искусственное покрытие огни. Должно быть предусмотрено гидравлическое управление из кабины обычными органами управления для подъема, снижения и установки ножа для работы, а также для выдерживания достаточного расстояния от кабины сбоку автомобиля специального назначения. Высота съемного ножа должна быть составлять от 0,62 м спереди и 0,88 м сзади, и он должен быть оборудован заменяемыми кромками из карбида вольфрама, предохранительным

выключающим устройством, боковинами с амортизаторами и приспособлением для установки наклона ножа вручную.

Боковины должны поддерживаться с каждой стороны опускаемыми штангами и подъемными приспособлениями.

5) Расширяющий плужный нож. Расширяющий плужный нож действует по правую или левую сторону машины вместе с установленным спереди него очистительным ножом, позволяющим увеличить ширину очищаемой поверхности. Использование плужного ножа данного типа при разработке снежного покрова с искусственных покрытий аэродромных полос, оборудованных сигнальными огнями необходимо применение кромок, выполненных из полиуретана или резины, вместно изготовленных из карбида вольфрама [58]. Управление расширяющим плужным ножом осуществляется посредством классических органов управления в кабине водителя автомобиля специального назначения с помощью гидропривода [107]. Габаритные размеры съемного ножа должны составлять не менее 0,76 м по высоте в передней и 1,52 м в задней части соответственно. Конструкция расширяющего плужного ножа должна также предусматривать возможность ручного регулирования угла наклона, быть оснащена амортизаторами боковин. Ширина захвата должна составлять не менее 1,8 м. При транспортировке также необходимо обеспечение возможности складывания конструкции с помощью гидравлической системы. В зависимости от условий эксплуатации может быть предусмотрено наличие дополнительных органов управления для внутреннего и внешнего края отвала соответственно [80].

Конструкция должна обеспечивать возможность гидравлического подъема передней части ножа отвала на высоту от 30 см. Отвалы данного вида имеют короткую штангу в составе задней навески, закрепленной сбоку от рамы автомобиля специального назначения, которую, как правило укрепляют посредством раскосов с амортизаторами, крепящих механизм наклона, осуществляющих расширение ножа. Установка расширяющего отвала должна

быть оборудована предохранителями для транспортировочного положения, позволяющими фиксировать нож в безопасном положении.

6) Широкорядный толкаемый отвал, двусторонний, с убирающимися боковинами. Данный вид рабочего органа используется при проведении широкорядных работ на различных режимах движения автомобилей специального назначения. Управление устройством осуществляется гидроцилиндрами посредством рычагов в кабине автомобиля. Длина основного ножа (центральной секции), как правило составляет от 3 до 6 м в зависимости от конструктивного исполнения с возможностью дооборудования двумя боковыми секциями с левой и правой сторон. Каждая секция может иметь длину от 1 до 3 м, а максимальная ширина очищаемой поверхности не превышает 9 м. Отвалы данного вида могут оборудоваться механизмами для осуществления интенсивного сброса снега. Также, в состав конструкции входит реверсивный механизм, а конструкция отвала должна предотвращать возможность повреждения как самих ножей, так и дорожного покрытия при контакте с неровностями при движении на большой скорости. Режущая кромка, как правило, покрывается резиновым или полиуретановым покрытием или сплавом из карбида вольфрама. Отвалы такого типа, как правило, устанавливаются исключительно на производительные автомобили специального назначения ввиду требований к высокой мощности, необходимой при разработке снежного покрова.

7) Нижний скрепер используется в условиях, когда необходима максимально возможная эффективность процесса по разработке снежного покрова на участках дорожных и искусственных покрытий без препятствий.

Отвалы данного вида имеют либо гидравлический, либо пневматический привод, а органы управления должны располагаться в кабине автомобиля специального назначения. Длина нижнего скрепера составляет 3,6 м, радиус отвальной части от 30 до 50 см [84]. Также, рабочий орган данного типа должен быть оборудован объемной кромкой, изготовленную из карбида вольфрама. Отвальный нож должен иметь толщину не менее 1,2 см и быть выполнен из

высокопрочной стали. Конструкция должна иметь возможность реверсивной работы, чтобы обеспечить возможность изменения положения ножа для сгребания, посредством его поворота в обе стороны (влево и вправо). Нижний скрепер в своей конструкции должен иметь систему, позволяющую регулировать давление на поверхность [114]. Конструкции данного вида отвалов также предусматривают амортизационную подвеску с возможностью свободного хода для минимизации или предотвращения повреждений вследствие внезапных нагрузок, а также систему подъема для обеспечения минимально допустимого просвета над дорожным покрытием, составляющим 15 см. Подвеска нижнего ножа должна равномерно распределять нагрузку на отвал.

8) Перронный снежный нож применяется в составе тягачей самолетов, колесных погрузчиков, промышленных тракторов и иных автомобилях специального назначения, которые могут отличаться от стандартной машины-снегоочистителя [94]. Отвалы данного вида применяются на низких скоростях движения в ограниченных зонах.

Перронные снежные ножи должны обеспечивать возможность удаления снега вблизи зданий, ворот и перронов на территории аэропортов, однако, их использование невозможно на покрытиях, оборудованных искусственными огнями. Ножи данного вида имеют длину до 6 м, а конструкция предусматривает глубокий изгиб и возможность дооборудования боковыми пластинами, а высота не превышает 1,42 м. Кромка имеет возможность замены и изготавливается из карбида вольфрама. Конструкция зацепа ножа должна иметь возможность вертикального сдвига и быть быстросъемной. Конструкция перронного ножа оснащается как минимум двумя башмаками, либо роликами. Возможна установка опорных стоек, однако, в некоторых исполнениях их функцию исполняют непосредственно башмаки.

Наличие отвальных ножей отвалов из полимеров и композиционных материалов, покрытие их этими материалами, снижают поверхностное трение между снегом/слякотью/отвальным ножом плуга [2].

На эффективность работ по разработке снежного покрова также влияет и выбор ножей отвала.

Выбор металлических ножей позволяет снимать с поверхности дорожного покрытия наледь, а резиновых - убирать свежевыпавший снег и слякоть. При использовании резиновых ножей, в отличие от металлических, отвал не деформирует дорожные и искусственные покрытия, что позволяет свести затраты на их ремонт к минимуму. В составе отвалов также применяются комбинированные ножи, например с резиновых с одной и металлических с другой стороны. Таким образом, при износе производят снятие ножа и используют его другую часть.

Ножи с перфорацией применяются для работ с обледеневшими покрытиями.

Как правило, ножи с наконечниками из высокопрочных металлов используют для удаления льда и разработки снежного покрова. В сравнении с другими видами ножей, срок службы конструкций с твердосплавными наконечников значительно выше.

Для зимнего содержания высокоскоростных автомобильных дорог применяют фронтальные отвала со специальными формами на скоростях движения до 60 км/ч [57]. Отвалы данного вида осуществляют сброс снега в сторону от 15 до 20 м. Наиболее оптимальным является сочетание фронтального и боковых скоростных отвалов, поскольку таким образом достигается значительное увеличение ширины очищаемой поверхности, что способствует росту эффективности процесса разработки снега. Ограничивающим фактором является толщина уборки снега - до 0,2 м. Стоит также отметить нецелесообразность их использования в условиях города.

Масса, а также форма фронтального отвала являются основными задающими характеристики параметрами. За счет оптимального выбора геометрических параметров возможно воздействовать на отдельные показатели и повысить эффективность работы в зависимости от условий эксплуатации. Соответственно, в зависимости от физико-механических свойств снега требуется

выбор пассивного или активного рабочего органа. За счет выбора конструкции или её модификации возможно повысить производительность автомобиля специального назначения, а также эффективность и качественные показатели разработки снега [49]. Таким образом совершенствование конструкции фронтального отвала возможно за счет ряда способов, таких как:

- выбор оптимальной формы отвала в зависимости от условий эксплуатации;

- использование боковых отвалов;

- использование управляемых открылок;

- использование дополнительного привода;

- использование составных многосекционных отвалов.

Примеры выполненных из полимерных материалов ножей отвалов представлены на рисунке 1.15.

Рисунок 1.15 - Примеры полимерных ножей отвалов

Варианты исполнения опорных колес, применяемых в составе конструкции отвала приведены на рисунке 1.16.

Рисунок 1.16 - Примеры опорных колес отвалов

Уменьшение поверхностного трения может снизить потребность мощности, которая необходима для передвижения автомобиля специального назначения с установкой фронтального отвала, и таким образом уменьшить потребление топлива при работе по разработке снежного покрова. Отвальные ножи, которые физически отбрасывают большое количество снега вверх и в сторону от машины, вместо сметания в валки или перемещения снега, могут уменьшить потребность в парке необходимого оборудования. В некоторых местах в зависимости, как правило, от интенсивности снегопада, скорости ветра, вида снега, расположения ВПП, ее огней, конфигурации обочин высоко отбрасывающий снег отвал может не требовать снегомета для перемещения значительной части очищаемого снега за боковые огни искусственного покрытия. Исключение снегомета может привести к значительной экономии топлива и оборудования, но следует уделять особое внимание выбору конструкции отвала для такой двойной задачи, учитывая, что требуемые характеристики могут в значительной степени зависеть от погодных условий.

В работе Стукача А.В [104] рассматривается модернизация снегоочистительного отвала автогрейдера Д3 96 Б. Основным отличием усовершенствованной конструкции является наличие сдвижных составных частей. Система управления фронтальным отвалом включает два гидроцилиндра и распределительные устройства. Сдвижные части перемещаются в вертикальной плоскости, а крайние части вспомогательного отвала двигаются в плоскость основного. Ножи, выполненные из резины, находятся на одной линии.

Качество очистки покрытий от снега обеспечивается в том случае, если отвал, сдвигая основную массу снега, оставляет после себя слой высотой 10 - 15 мм, легко сметающийся щеткой. Поэтому необходимо систематически контролировать состояние резиновых ножей отвала. Они должны иметь одинаковую высоту и при опущенном отвале плотно по всей ширине захвата прилегать к поверхности покрытия. Высота ножей должна быть в пределах 25150 мм, с равномерным износом. Отвал в раздвинутом положении должен легко

поворачиваться на поворотной раме вправо и влево и надежно фиксироваться [96].

Широкое распространение получили специальные дефлекторы, устанавливаемые в качестве дополнительных элементов на конструкцию фронтального отвала, позволяющие улучшать условия видимости оператора автомобиля специального назначения за счет препятствования отбросу снега на лобовое стекло (рисунок 1.17).

Рисунок 1.17 - Дефлектор с фиксированной геометрией используемый в

дорожных испытания

Исследования эффективности установки дефлектора отвала с углом захвата менее 50° показывают, что за счет использования данного элемента достигается повышение видимости оператора автомобиля специального назначения на 50%. Следует отметить, что установка дефлектора также способствует повышению защищенности радиатора и дополнительных

низкорасположенных элементов транспортного средства, включая световые приборы.

Другим устройством для уменьшения количества снега, отбрасываемого на лобовое стекло, является набор резиновых заслонок для передней части отвала представленных на рисунке 1.18.

Рисунок 1.18 - Набор резиновых заслонок на передней части отвала

Для достижения оптимальной разработки снега с поверхности автомобильных дорог и поверхности ВПП наиболее распространенным остается использование в одной группе снегометов и отвалов. Этой концепции все еще придерживаются, однаков в указанных ниже обстоятельствах может предусматриваться использование лишь плуга сбрасывающего типа (рисунок 1.19):

- небольшое годовое выпадение снега (от 40 до 50 см);

- возвышающиеся ВПП (искусственное покрытие, как правило, остается чистым, когда ВПП находятся на возвышении);

- высокие посадочные огни (более высокие огни остаются дольше видимыми);

- небольшое число перевозок (больше времени для очистки ВПП);

- обочины с искусственным покрытием для укрепления обочины (плуг подходит ближе к огням);

- высококвалифицированные операторы (часто может потребоваться принятие самостоятельных решений);

- преобладающие ветры зимой (преобладающие боковые ветры небольшой силы, как правило, сдувают снег на достаточном расстоянии от поверхностей).

Рисунок 1.19 - Фронтальный отвал сбрасывающего типа

В таких условиях исключение снегомета из набора снегоочистительного оборудования может уменьшить расходы на содержание дорожных покрытий.

1.4. Технические характеристики объекта исследований

В соответствии с существующими типовыми решениями в области автомобилей специального назначения выбор базового шасси подразумевает установку в его состав следующего оборудования:

1) непосредственно к элементам шасси:

- установка надрамника на раму шасси;

- пульт системы управления к полу кабины;

- элементы системы освещения и сигнальные маяки;

- отвал;

- щётка центральная.

2) к установке надрамника:

- элементы системы гидравлической (насосы, гидрораспределители, система охлаждения, бак рабочей жидкости);

- силовая установка;

- установка продувочная;

- капот;

- установка магнитной плиты;

- элементы системы освещения;

На основе проведенного в разделе 1.3 настоящей главы диссертационной работы анализа видов фронтальных отвалов было принято решение рассмотреть два варианта базовых шасси, представленных на рисунке 1.20.

Урал-63706-1120 «Торнадо-У» — полноприводный капотный автомобиль повышенной грузоподъёмности с колесной формулой 6*6 (рисунок 1.20, а). Производится с 2016 года на Уральском автомобильном заводе. Принят на снабжение ВС РФ. Предназначен для перевозки грузов, монтажа и транспортировки вооружения, военной и специальной техники, буксирования специальных и транспортных прицепов.

Седельный тягач Урал 63704-0111 предназначен для буксирования полуприцепов при температуре окружающего воздуха от -45°С до +40°С по всем видам дорог и местности (рисунок 1.20, б). Урал-63704 является полноприводным автомобилем, приспособленным для буксировки полуприцепов с различным грузом.

а) Урал 63706 -0110 Торнадо»

9697

3920

5260 6687

б) Урал 63704-0111

2Ш 3322

5262

Рисунок 1.20 - Компоновочные варианты шасси с капотным (а) и бескапотным

(б) шасси

Основные технические характеристики базового шасси двух видов представлены в таблице А. 1. (Приложение А).

Основным критерием выбора шасси в данном случае является требования по содержанию автомобильных дорог общего пользования, а также покрытий аэродромов.

На рисунке 1.21 показан общий вид базового шасси Урал 63704-0111.

Рисунок 1.21 - Общий вид шасси ИЛОТ без доработок

В таблице 1. 2 приведены технические характеристики и эксплуатационные показатели автомобиля специального назначения с уставкой фронтального отвала.

Таблица 1.2 - Технические характеристики и эксплуатационные показатели

автомобиля специального назначения

Показатель Единица измерения Значение

Масса снаряженная, не более кг до 19 000

Скорость движения рабочая км/ч от 40 до 60

Производительность уборки, не более га/ч 21,4

Ширина уборки за один проход, не менее

- фронтальным отвалам м от 4,8 (при повороте на ±32°) от 4,6 (при повороте на ±35°) до 5,7 (при повороте на 0°)

Диапазон эксплуатационных температур °С от минус 40 до плюс 40

Таким образом, для повышения эксплуатационных показателей автомобиля специального назначения с установкой фронтального отвала требуется соответствие техническим характеристикам, приведенным в таблице 1.2.

1.5. Выводы. Цель и задачи исследования

Анализ существующих технологических решений в области зимнего содержания автомобильных дорог, аэродромных покрытий и прилегающих к ним территорий показал, что уборка снежного покрова должна осуществляться с максимально возможной скоростью движения автомобилей специального назначения. Однако, следует отметить, что с повышением числа заходов, а также числа автомобилей, участвующих в разработке снега повышаются материальные затраты на содержание парка подвижного состава. Автомобиль специального назначения должен иметь высокие эксплуатационные показатели и способствовать обеспечению качественного процесса по зимнему содержанию дорожных покрытий.

В существующих решениях фронтальных отвалов присутствует ряд недостатков, влияющих на максимальную скорость движения, а также ширину разрабатываемой от снежного покрова полосы.

Таким образом, максимально возможная скорость движения специальных автомобилей данного вида при разработке снежного покрова толщиной до 0,05 м не превышает 55 км/ч. Также, выявлено, что толщина разрабатываемого снежного покрова при скорости движения свыше 40 км/ч не превышает 0,1 м.

В ходе проведенного анализа также было выявлено, что большинство эксплуатируемых установок фронтального отвала имеют ограниченный угол его поворота относительно поперечной движению автомобиля специального назначения оси - до 32°.

На основании проведенного анализа определены технические характеристики базового шасси.

Для решения задачи повышения эксплуатационных показателей автомобиля специального назначения требуется разработать методику повышения эксплуатационных показателей автомобиля специального назначения, позволяющую с учетом массогабаритных характеристик установки фронтального отвала, а также исследования факторов сопротивления движению базового шасси выбирать оптимальные параметры для достижения наибольшей эффективности процесса зимнего содержания автомобильных дорог, магистралей, искусственных аэродромных покрытий.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ С УСТАНОВКОЙ ФРОНТАЛЬНОГО ОТВАЛА

Разработка методики повышения эксплуатационных показателей автомобиля специального назначения проводится на основе блок-схемы, представленной на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Блок-схема проведения исследований

2.1. Определение силовых факторов, влияющих на эксплуатационные показатели автомобиля специального назначения с установкой

фронтального отвала

Расчет отвала проводится с целью подтверждения работоспособности автомобиля специального назначения при различных условиях уборки снега (плотности снега, толщины снежного покрова, скорости движения), а также для определения схем нагружения отвала и получения численных значений следующих параметров: [32]:

- суммарного сопротивления Ж, оказываемого средой на снегоочиститель при движении в рабочем режиме в различных условиях и действующего вдоль оси автомобиля;

- суммарного бокового сопротивления Жб, оказываемого средой на снегоочиститель при движении в рабочем режиме и действующего поперек оси автомобиля;

- поворотного относительно середины отвала момента Мо при движении в рабочем режиме;

- максимального динамического усилия Рдин, представляющего собой равнодействующую силу от равномерно распределенной нагрузки на отвал при наезде на непреодолимое препятствие.

На основе проведенного в Главе 1 анализа к усовершенствованию принята установка цилиндрического отвала с крайними коническими секциями. Таким образом определение параметров установки будет проводиться по методике расчета цилиндрического отвала [2, 3, 4, 52, 65, 79, 89, 97]. Основные параметры, необходимые для расчета приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Основные параметры для проведения расчета установки

фронтального отвала

Параметр Значение Описание

Физико-механические свойства снега при различных условиях:

Рсн 50.. .300 кг/м3 для свежевыпавшего и слабоуплотненного снега

h t,gp=0,24...0,46 при рсн = 50.300 кг/м3 и различной температуре)

Р 13,5.24,7° при рсн = 50.300 кг/м3 и различной температуре

5 4.7,97° при рсн = 50.300 кг/м3 и различной температуре

t,qö 0,07.0,14 при рсн = 50.300 кг/м3 и различной температуре

^рез 0,0002.0,01 МПа при рсн=50.300 кг/м3 и различной температуре

Характеристики базового шасси:

та 18500 кг с учетом снаряженной массы базового шасси 11200 кг

К 16,7 м/с (60 км/ч) согласно требованиям к уборке дорожного покрытия

^дв 303 кВт мощность двигателя ЯМЗ-653

Пдв 1900 об/мин соответствует максимальной мощности двигателя

Щ пер 13,8; 11,54; 9,49; 7,93; 6,53; 5,46; 4,57; 3,82; 3,02; 2,53; 2,08; 1,74; 1,43; 1,2; 1; 0,84 для 16-ступенчатой коробки передач 1681820ТО базового шасси

^р.к 1,536

«м 6,135 -

Гк 0,615 -

Характеристики дорожного покрытия:

/к 0,02 -

Фсц 0,3/0,6 1) для асфальтобетонных и цементобетонных покрытий со слоем снега толщиной 0,01.0,02 м, оставшегося после прохода отвала 2) для чистого асфальтобетонного и цементобетонного покрытия [65].

i 0,03 -

Характеристики отвала:

-^отв 4,6.5,6 м -

^0 отв ±35° -

^рез 30° -

Ш отв 2000 кг в соответствии с аналогами (например, отвал снегоуборочной машины Schmidt MS 56.1

На рисунке 2.2 представлена схема поворота фронтального отвала.

г

'■ отб

Рисунок 2.2 - Схема поворота отвала

При работе плужного снегоочистителя на отвал действуют следующие усилия [26]:

Шрез - сопротивление снега резанию, Н;

Шпр - сопротивление трения призмы волочения о поверхность снежного массива перед отвалом, Н;

Шин - сила инерции снега, вырезаемого из массива, Н; Шпер - сопротивление перемещению призмы волочения вдоль отвала, Н; №под - сопротивление подъему вырезаемой из массива снега стружки вверх по отвалу, Н;

Штр - сопротивление трению плуга по заснеженной дороге, Н;

ИМ - сопротивление движению базового автомобиля, Н.

План скоростей перемещения призмы волочения представлен на рисунке

2.3.

Данные силовые факторы приложены в различных точках отвала, установленного под углом к направлению движения снегоочистителя, поэтому удобнее заменить схему, приведенную на рисунке 2.4 на эквивалентную схему, представленную на рисунке 2.5.

Тогда на отвал действуют внешние продольная Ж и боковая Жб силы и поворотный относительно его середины момент Мо [27].

Поворотный момент Мо обусловлен асимметричным действием на отвал сопротивлений Жпр и Жпод (рисунок 2.4). Сопротивления Жр, Жин и Жтр симметричны и проходят через середину отвала; сопротивление Жпер действует в плоскости отвала и практически не создаёт поворотного момента [15, 46]. Таким образом, поворотный момент Мо возникает из-за асимметрии центра масс призмы волочения относительно середины отвала, при этом увеличение размеров поперечного сечения призмы не приводит к изменению плеча действующих сил момента Мо.

Рисунок 2.3 - План скоростей перемещения призмы волочения

Рисунок 2.4 - Расчётная схема процесса разработки снега отвалом и сил,

действующих на фронтальный отвал

Рисунок 2.5 - Эквивалентная расчётная схема нагружения отвала при работе

Расчет суммарного продольного сопротивления при работе отвала на максимальном угле поворота.

Расчет проводится для угла поворота отвала равного 32° при различных толщине снежного покрова и плотности снега.

Суммарное сопротивление, возникающее при работе отвала и действующее вдоль оси автомобиля [53, 59]:

Ш = Шрез + Шпр + Шин + Шпер + Шп0д + Штр + иа, Н (2.1)

Сила сопротивления снега резанию (приложена к середине отвала):

И^з = 10%ез -Вотв ' Л, Н (2.2)

где Крез - удельное сопротивление снега резанию, МПа;

Вотв - ширина резания снега отвалом, м;

Л - толщина снежного покрова, м.

Полученные расчетные значения сведены в таблицу 2.2, откуда следует, что максимальное сопротивление снега резанию составляет 19240 Н.

Таблица 2.2 - Сопротивление снега резанию, Н

^^-^Рсн, кг/м3 И, м 100 150 200 250 300

0,05 180,38 192,4 721,5 1803,75 2405

0,10 360,75 384,8 1443 3607,5 4810

0,15 541,13 577,2 2164,5 5411,25 7215

0,20 721,5 769,6 2886 7215 9620

0,25 901,88 962 3607,5 9018,75 12025

0,30 1082,25 1154,4 4329 10822,5 14430

0,35 1262,63 1346,8 5050,5 12626,25 16835

0,40 1443 1539,2 5772 14430 19240

Вектор силы сопротивления, образованной в результате трения призмы волочения о поверхность разрабатываемого снежного массива непосредственно перед отвалом направлен перпендикулярно вектору абсолютной скорости движения снега перед рабочим органом Уабс и приложен к центру масс призмы [101].

В проекции на ось движения машины:

Щр = ™Пр • д-гдр- бЫ( (р + 8), Н (2.3)

где: тпр - масса призмы волочения, кг;

д - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2;

ф - угол установки отвала в плане (острый угол между передней кромкой ножа отвала и продольной осью машины (ф = 58°).

Расчет проводится для наиболее распространено угла поворота отвала, составляющего 32°.

Масса призмы волочения определяется согласно выражению:

„_ Вотв'^'Рсн'СО^ 8

™-пп = —:-;—кг (2.4)

Таким образом, максимальная масса призмы волочения составляет 3608,72 кг.

Другие расчетные значения сведены в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 - Масса призмы волочения, кг

^^^^^Рсн, кг/м3 И, м 100 150 200 250 300

0,05 150,36 234,31 312,41 375,91 451,09

0,10 300,73 468,61 624,82 751,82 902,18

0,15 451,09 702,92 937,22 1127,72 1353,27

0,20 601,45 937,22 1249,63 1503,63 1804,36

0,25 751,82 1171,53 1562,04 1879,54 2255,45

0,30 902,18 1405,84 1874,45 2255,45 2706,54

0,35 1052,54 1640,14 2186,86 2631,36 3157,63

0,40 1202,91 1874,45 2499,26 3007,26 3608,72

Следовательно, максимальное сопротивление [96] при работе отвала на максимальном угле поворота составит 12317,35 Н. Другие расчетные значения сведены в таблицу 2. 4.

Таблица 2.4 - Сопротивление трения призмы волочения, Н

^^^^^сн,* г/м3 h, м ^^^^^^ 100 150 200 250 300

0,05 381,62 600,53 911,14 1085,67 1539,67

0,10 763,26 1201,04 1822,29 2171,34 3079,34

0,15 1144,88 1801,57 2733,4 3256,98 4619,01

0,20 1526,5 2402,08 3644,55 4342,65 6158,68

0,25 1908,15 3002,61 4555,69 5428,32 7698,35

0,30 2289,76 3603,15 5466,83 6513,98 9238,01

0,35 2671,38 4203,65 6377,98 7599,65 10777,68

0,40 3053,03 4804,19 7289,09 8685,29 12317,35

Сила инерции снега, вырезаемого из массива:

ин 2 cos 8 , ( . )

где Va - скорость автомобиля специального назначения, м/с.

Следовательно, максимальная сила инерции составит 54412,31 Н. Другие расчетные значения сведены в таблицы Б.1 - Б.10 (Приложение Б).

Сопротивление перемещению призмы волочения вдоль отвала:

Wnep = Рн • S • cos р, Н (2.6)

где РН - перпендикулярная к отвалу суммарная составляющая сил инерции и трения призмы волочения по снегу, Н.

Перпендикулярная к отвалу суммарная составляющая сил инерции и трения призмы волочения по снегу [99]:

р _р/ , р// _ Ъоте^рсн-Ум^Ыф ВОтв •h • Рсн • А • tflP • COS2 g

Н Н Н 2 cos 5 2s¿n^cos(<p+S) ' ( . )

Следовательно, максимальная величина силы PH составит, согласно выражению (2.7) составит 82010,98 Н.

Другие расчетные значения силы PH сведены в таблицы В.1 - В.10 (Приложение В).

Максимальное сопротивление перемещению призмы волочения, согласно (2.6) составит 3911,33 Н.

Другие расчетные значения сопротивления перемещению призмы волочения Wnep сведены в таблицы Г.1 - Г.10 (Приложение Г)

Сопротивление подъему вырезаемой из массива снега стружки вверх по отвалу:

где арез - угол резания снега в вертикальной плоскости, град.

Максимальное значение ^под = 14455,54 Н. Другие расчетные значения сопротивления подъему снега Жпод сведены в таблицы Д.1 - Д.10 (Приложение Г).

Сопротивление перемещению отвала по заснеженной поверхности дороги при установке его в плавающее положение, с опорными колесами:

где: вотв - сила веса отвала, Н.

^ - коэффициент сопротивления движению базовой машины. Сила сопротивления трению отвала по заснеженной поверхности дороги составляет 392,4 Н.

Сопротивление движению базового автомобиля в рабочем режиме при равномерном движении определяется согласно выражению:

где: ва - сила веса автомобиля, Н;

Величина сопротивления движению базового автомобиля в рабочем режиме составляет 8093,25 Н.

Таким образом максимальное значение суммарного сопротивления Ж, возникающее при работе отвала и действующее вдоль оси автомобиля, при скорости 60 км/ч, согласно выражению (2.1) составляет 112822,18 Н.

В таблицах 2.5 и 2. 6 представлены результаты расчетов суммарного продольного сопротивления при скорости движения автомобиля специального назначения 15 и 60 км/ч (минимальная и максимальная скорости движения) соответственно. Расчетные значения суммарного продольного сопротивления в диапазоне 20-55 км/ч представлены в таблицах Е.1 - Е.8 (Приложение Е).

МТПод = 0,5РН • (Ьд 8 + Ьд р) • бЫ 2 арез • бЫ ф, Н

(2.8)

(2.9)

= (Са -СотвЖ + 0, Н

(2.10)

В данных таблицах зеленым цветом отмечены значения, при которых сила тяги по двигателю и сила тяги по сцеплению больше действующих сопротивлений, и, следовательно, только в этих условиях обеспечивается возможность движения (работы) автомобиля специального назначения.

Таблица 2.5 - Суммарное продольное сопротивление при скорости 15 км/ч, Н

кг/м3 И, м 100 150 200 250 300

0,05 м 9302,41 9679,08 10697,28 12063,79 13359,8

0,10 м 10119,16 10872,48 12908,93 15641,92 18233,95

0,15 м 10935,92 12065,91 15120,53 19220,04 23108,1

0,20 м 11752,66 13259,31 17332,19 22798,18 27982,25

0,25 м 12569,44 14452,75 19543,82 26376,31 32856,41

0,30 м 13386,17 15646,18 21755,46 29954,44 37730,55

0,35 м 14202,92 16839,57 23967,1 33532,58 42604,69

0,40 м 15019,7 18033,02 26178,72 37110,69 47478,85

Сила тяги по двигателю Тдв, Н 74000

Сила тяги по сцеплению ТЩ1, Н 54445,5

Сила тяги по сцеплению Тсц2, Н 108891

Таблица 2.6 - Суммарное продольное сопротивление при скорости 60 км/ч, Н

^^Рсн, кг/м3 И, м ^^^^^^ 100 150 200 250 300

0,05 м 11927,13 13647,34 16066,78 18723,51 21527,72

0,10 м 15368,61 18809 23647,93 28961,38 34569,79

0,15 м 18810,1 23970,69 31229,03 39199,22 47611,86

0,20 м 22251,56 29132,35 38810,17 49437,08 60653,92

0,25 м 25693,07 34294,04 46391,31 59674,94 73695,98

0,30 м 29134,52 39455,74 53972,45 69912,79 86738,05

0,35 м 32576 44617,38 61553,58 80150,65 99780,11

0,40 м 36017,49 49779,08 69134,7 90388,49 112822,18

Сила тяги по двигателю Тдв, Н 19000

Сила тяги по сцеплению Тсц1, Н 54445,5

Сила тяги по сцеплению Тсц2, Н 108891

Суммарная боковая сила, действующая на отвал при работе снегоочистителя необходима для расчета на устойчивость автомобиля специального назначения.

Действующая на отвал суммарная боковая сила:

= + Мрб + ™под£ + Щн.б - Мпер.б - Щ„р, Н (2.11)

где: Шрб - боковая составляющая силы резания снега отвалом, Н;

^пр,б - боковая составляющая сопротивления перемещению призмы волочения перед отвалом, Н;

^'под.б - боковая составляющая сопротивления подъёму стружки снега вверх по отвалу, Н;

№инб - боковая составляющая инерционных сил разгона снега отвалом, Н; №пер.б - боковая составляющая сопротивления перемещению призмы вдоль отвала, Н.

В данном случае составляющие трения Штр и бокового перемещения призмы вдоль отвала Wпер.б направлены противоположно действию остальных боковых сил. Необходимо отметить, что действие силы Штр определяется кругом трения, то есть вследствие своей реактивной природы и изотропности сила Штр одинакова в любом направлении, противоположном вероятному перемещению отвала [88].

Расчет проводится для угла поворота отвала, равного 32° и условий (толщина и плотность снега), при которых достигается максимальное продольное усилие Ш на определенной скорости, но еще сохраняются условия движения (таблицы 2.4, 2,5 и Д.1 - Д.8).

Боковая составляющая силы резания снега отвалом:

%.б = %ез •ад(р, Н (2.12)

Расчетные значения сведены в таблицу 2.7.

Таблица 2.7 - Боковая составляющая силы резания снега, Н

Скорость автомобиля специального назначения Уа, км/ч Плотность снега Реп > КГ/М3 Толщина снежного покрова к, м wPm6., Н

15 300 0,4 12022,49

20 300 0,4 12022,49

25 300 0,3 9016,86

30 200 0,4 3606,75

35 200 0,3 2705,06

40 250 0,15 3381,32

45 150 0,25 601,12

50 100 0,25 563,56

55 100 0,2 450,84

60 100 0,15 338,14

Боковая составляющая сопротивления перемещению призмы волочения перед отвалом:

Щпр.б = ™Пр • д • ^ р • соя( р + 5), Н (2.13)

Расчетные значения сведены в таблицу 2.8.

Таблица 2.8 - Боковая составляющая сопротивления перемещению призмы волочения перед отвалом, Н

Скорость автомобиля специального назначения Уа, км/ч Плотность снега Реп > КГ/М3 Толщина снежного покрова к, м н

15 300 0,4 6237,39

20 300 0,4 6237,39

25 300 0,3 4678,05

30 200 0,4 3511,56

35 200 0,3 2633,68

40 250 0,15 1649,3

45 150 0,25 1446,53

50 100 0,25 966,27

55 100 0,2 773,01

60 100 0,15 579,76

Боковая составляющая сопротивления подъёму стружки снега вверх по отвалу:

Код,б = 0,5РН • 81П2^ • 8 + р)• осв^, Н (2.14)

Расчетные значения сведены в таблицу 2.9.

Таблица 2.9 - Боковая составляющая сопротивления подъёму стружки снега, Н

Скорость автомобиля специального назначения Va, км/ч Плотность снега Реп > КГ/М3 Толщина снежного покрова h, м Щюд.б; Н

15 300 0,4 1984,45

20 300 0,4 2349,92

25 300 0,3 2114,86

30 200 0,4 1962,88

35 200 0,3 1783,86

40 250 0,15 1264,1

45 150 0,25 1407,57

50 100 0,25 1046,85

55 100 0,2 982,15

60 100 0,15 855,44

Боковая составляющая инерционных сил разгона снега отвалом:

м".6 2 eos 5 ' ( • J

Расчетные значения сведены в таблицу 2.10.

Таблица 2.10 - Боковая составляющая инерционных сил, Н

Скорость автомобиля Плотность снега Толщина снежного wmj6, н

специального назначения Va, км/ч Рсн , кг/м3 покрова h, м

15 300 0,4 2575,97

20 300 0,4 4579,51

25 300 0,3 5366,61

30 200 0,4 7061,45

35 200 0,3 7208,56

40 250 0,15 5724,39

45 150 0,25 7447,62

50 100 0,25 5962,9

55 100 0,2 5772,09

60 100 0,15 5151,95

Боковая составляющая сопротивления перемещению призмы волочения вдоль отвала:

Кер.б = Рн - 48-ядр, Н (2.16)

Расчетные значения сведены в таблицу 2.11.

Таблица 2.11 - Боковая составляющая сопротивления перемещению призмы волочения вдоль отвала, Н

Скорость автомобиля специального назначения Уа, км/ч Плотность снега Рсн , кг/м3 Толщина снежного покрова к, м Wиер.б., Н

15 300 0,4 1375,16

20 300 0,4 1628,41

25 300 0,3 1465,52

30 200 0,4 1813,61

35 200 0,3 1648,21

40 250 0,15 1001,12

45 150 0,25 1430,58

50 100 0,25 916,34

55 100 0,2 859,7

60 100 0,15 748,79

Расчетные значения суммарной боковой силы сведены в таблицу 2.12.

Таблица 2.12 - Суммарная боковая сила, Н

Скорость автомобиля Плотность снега Толщина снежного Мб., н

специального назначения Уа, км/ч Рсн , кг/м3 покрова к, м

15 300 0,4 21052,74

20 300 0,4 23168,5

25 300 0,3 19318,46

30 200 0,4 13936,63

35 200 0,3 12290,55

40 250 0,15 10625,59

45 150 0,25 9079,86

50 100 0,25 7230,84

55 100 0,2 6725,99

60 100 0,15 5784,1

Поворотный момент отвала Мо прямо пропорционален массе призмы волочения и действует относительно середины отвала на плече, равном 1/6 длины отвала:

Мо = Мпр + Мпод -Мтр. , Нм (2.17)

где: М - момент сопротивления перемещению призмы волочения, Н-м;

Мпод - момент сопротивления подъёму стружки снега вверх по отвалу,

Н-м;

М - момент сил трения отвала по поверхности дороги; Н-м.

Расчет проводится для условий (толщина и плотность снега), при которых достигается максимальное продольное усилие Ж на определенной скорости, но еще сохраняются условия движения (таблицы 2.13 - 2.15) [87]. Момент сопротивления перемещению призмы волочения:

D

мпр = тпр • д • tap • cos Н м (2.18)

пр пр & & г 6s¿n^ V '

Расчетные значения сведены в таблицу 2.13.

Таблица 2.13 - Момент сопротивления перемещению призмы волочения, Нм

Скорость автомобиля специального назначения Va, км/ч Плотность снега Рсн , кг/м3 Толщина снежного покрова h, м Мпр., Н м

15 300 0,4 12998,95

20 300 0,4 12998,95

25 300 0,3 9749,21

30 200 0,4 7602,49

35 200 0,3 5701,88

40 250 0,15 3437,21

45 150 0,25 3131,71

50 100 0,25 2013,74