18034

Применение пассивных и активных сочленённых транспортных систем

Книга

Производство и промышленные технологии

Наилучшей конструкцией транспортной системы будет считаться та, которая обеспечивает максимальную приспособленность к конкретным или специфическим для рассматриваемой транспортной системы условиям эксплуатации. Такая транспортная система будет иметь максимальную эффективность в заданных условиях эксплуатации

Русский

2013-07-06

9.6 MB

37 чел.

Оглавление

Принятые сокращения……………………………………………………….

Введение……………………………………………………………………...

1. Обоснование использования сочленённых транспортных систем……………………………………………………………………..…

    1.1. Эксплуатационные свойства и эффективность

           транспортных систем……….…………………….……….….……

    1.2. Влияние активизации прицепных секций на повышение

           проходимости транспортных   систем……….……………………

           1.2.1. Проходимость транспортных систем……………………….

          1.2.2. Оценочные показатели проходимости транспортных

                   систем………….…………………………………………….…

          1.2.3. Проходимость активных сочленённых транспортных

                   систем ………………………….…………………………...….

1.3. Обоснование использования сочленённых транспортных

       систем в добывающих и сырьевых отраслях  экономики….….

           1.3.1. Классификация сочленённых транспортных

                    систем…………………………………………………………..

           1.3.2. Применение сочленённых транспортных систем

                    в  отраслях экономики……………………………………….

2. Теория движения активных сочленённых транспортных систем……………………………………………………………………………

       2.1. Выбор обобщённых схем сочленённых транспортных

              систем…………………………………………….……………….

       2.2. Теория движения автомобильного поезда с активным

              прицепом……………………………………….………………..…

              2.2.1. Криволинейное движение автопоезда с активным

                       прицепом…………………………..…………………..……

              2.2.2. Кинематический анализ работы автопоезда

                       с активным прицепом…………..…………….…..….........

              2.2.3. Увод колес автопоезда с активным

                        прицепом...........................................................................

              2.2.4. Скольжение колёс и кинематическое

                        рассогласование...............................................................

              2.2.5. Взаимодействие звеньев автопоезда с активным

                        прицепом .........................................................................

              2.2.6. Оценка величины упругого момента в замкнутом

                       контуре «трансмиссия – движитель – опорная

                         поверхность»………………………………………………..

       2.3. Теория движения прицепной гусеничной сочленённой

              транспортной системы…………….……………………….……

               2.3.1.Требования и ограничения при создании

                         математической  модели…………………………………

               2.3.2. Узлы сочленения активной сочленённой  транспортной

                        системы……………….......................................................    

              2.3.3. Математическая модель криволинейного движения

                       активной сочленённой транспортной

                       системы………………..………………………………..…..

               2.3.4. Влияние типа привода на радиус поворота активной

                          сочленённой транспортной системы….…………...........

       2.4. Выбор рациональной величины крутящего момента,

              реализуемого на движителе сочленённой транспортной  

               системы. Стохастическая оценка проходимости……………….

       2.5. Результаты имитационного моделирования

              движения активной сочленённой транспортной

              системы…………………………………………………………

3. Использование сочленённых транспортных систем при создании

   платформ для перспективных видов вооружения….…………………..

        3.1. Состояние и перспективы современной самоходной

              артиллерии……………………………………………………….

        3.2. Теоретическое описание движения корпуса сочленённого                 самоходного артиллерийского орудия во время выстрела ……………

                3.2.1. Воздействия на корпус со стороны вооружения…........

               3.2.2. Воздействия на корпус со стороны башни....................

               3.2.3. Требования и основные допущения при создании

                         математической модели………………………………….

               3.2.4. Определение параметров движения корпусов

                         сочленённого самоходного артиллерийского орудия

                         методом объектно-ориентированного

                           программирования………………………………………...             

               3.2.5. Результаты имитационного моделирования движения  

                         центра масс корпусов сочленённого самоходного

                         артиллерийского орудия при выстреле ………………...

4. Особенности применения сочленённых транспортных систем в лесозаготовительной промышленности…………………………………..

4.1. Оценка экологических последствий транспортировки древесины…………………………………………………………………….

4.2. Взаимодействие движителей лесотранспортных машин со слабыми водонасыщенными лесными почвогрунтами………………………

4.3. Особенности применения лесотранспортных машин в зимний период в условиях лесосеки……………………………………………….

4.3.1. Образования снежного покрова в лесу…………………..

4.3.2. Показатели проходимости лесотранспортных машин по снежному покрову………………………………………………………….

4.3.3. Деформация снежного покрова от действия лесотранспортных машин………………………………………………………………

4.3.4. Математическая модель деформации снежного покрова от действия лесотранспортных машин……………………………………

Заключение………………………………….………………..………….…...

Библиографический список……………….…………………………..……

Принятые сокращения

ААП – автопоезд с активным прицепом

АСТС – активная сочленённая транспортная система

АТС – автотранспортное средство

ВМФ – военно-морской флот

ГМ – гусеничная машина

ДВС – двигатель внутреннего сгорания

ЖМВ – жидкие метательные вещества

КПП – коробка перемены передач

НСК – неподвижная система координат

П – вторая секция АСТС (прицеп)

ПВО – противовоздушная оборона

ПСК – подвижная система координат

РК – раздаточная коробка

САО – самоходное артиллерийское орудие

СБГМ – сочленённая боевая гусеничная машина

СГМ – сочленённая гусеничная машина

ССАО – сочленённое самоходное артиллерийское орудие

СТС – сочленённая транспортная система

Т – первая секция АСТС (тягач)

ТЗМ – транспортно-заряжающая машина

УС – узел сочленения

ЦМ – центр масс

ЭТП – электротермическая пушка

ВВЕДЕНИЕ

Современное машиностроение характеризуется установившейся тенденцией улучшения эксплуатационных свойств вновь проектируемых и модернизируемых машин (производительность, экономичность, экологичность и др.). С одной стороны, это является следствием жесткой конкуренции на мировом товарном рынке, а с другой стороны, что наиболее важно,  -  пониманием в обществе проблемы  конечности  сырьевых ресурсов и необходимости разумного отношения к природе и окружающей среде.

Работа транспортно-технологических машин в некоторых отраслях экономики весьма специфична. Это связано с их эксплуатацией на временных дорогах или в условиях бездорожья. В лесной промышленности, например, эксплуатация транспортных и технологических систем происходит в основном на упрощенных временных дорогах, которые составляют около 40 % лесовозных дорог всех типов. В сельском хозяйстве удельный вес транспортных работ в годовой занятости колесных тракторов превышает 50 % и большая часть их приходится на временные дороги, полевые условия и т.п. При неблагоприятных погодных условиях, особенно в зонах «рискованного земледелия», такие дороги становятся существенным препятствием при транспортировке продукции.

Появление новых, более энергонасыщенных многооперационных машин позволяет механизировать большинство работ в отраслях лесного, сельского хозяйства, нефтегазового и горнодобывающего комплексов и других направлениях национальной экономики. Применение полноприводных транспортных и технологических систем на основе активизации прицепного состава является одним из перспективных направлений в решении многих задач, возникающих при эксплуатации транспортных и технологических комплексов в условиях зимних дорог, грунтовых дорог в период распутицы и в других специфических условиях.

Понятие «сочлененная транспортная  система» (СТС)  весьма широко и включает в себя целый спектр транспортных, технологических и  транспортно-технологических машин, имеющих, как минимум, две секции, соединенные между собой шарниром с одной или более степенями свободы. Кроме того, некоторые СТС имеют специфическую конструкцию рулевого управления. Распределение силового потока источника энергии между тяговой и прицепной (технологической) секциями СТС ведет к созданию отдельного класса машин – активные сочлененные транспортные системы (АСТС). Как частный, но довольно широко распространенный, случай АСТС следует рассматривать автопоезда с активными прицепами (ААП).

Применение АСТС в отраслях сельского хозяйства, в отраслях лесного, нефтегазового комплексов и других сырьевых отраслях экономики дает возможность создания широкого диапазона транспортных и технологических систем.

Таким образом, проблемы улучшения эксплуатационных свойств транспортных и технологических систем относятся к одним из основных в машиностроении, решение которых должно вестись по различным направлениям: увеличение производительности, повышение экономических и улучшение экологических показателей, повышение эксплуатационной надежности, усовершенствование и автоматизация систем управления транспортными системами и целый комплекс других работ теоретической и экспериментальной направленности.

В настоящее время большинство исследований АСТС носят частный характер и направлены на теоретическое и экспериментальное изучение динамических процессов, происходящих в них при характерных условиях эксплуатации. Вместе с тем исследуются уже разработанные экспериментальные образцы конструкций.

В этой связи возникает потребность  обобщения теоретических и экспериментальных исследований  и дальнейшего развития данного научного направления. Это позволит на ранней стадии проектирования, когда отсутствует опытный образец, обосновать выбор технического решения, провести поиск наиболее рациональной конструкции и, как следствие, существенно уменьшить временные и материальные затраты на проектирование, экспериментальные исследования и изготовление опытной партии машин. Дополнительный экономический эффект, как правило, более существенный в сравнении с эффектом за время разработки и постановки изделия на производство, получается от реализации в конструкциях машин оптимальных конструктивных и энергетических параметров и характеристик.

  1.  Обоснование использования сочленённых

транспортных систем

1.1. Эксплуатационные свойства и эффективность

транспортных систем

Эффективность транспортно-технологического процесса - отношение полезного результата к затратам на его осуществление.

Конструктивная эффективность – возможность совокупностью технических параметров транспортной системы обеспечить максимальную эффективность транспортно-технологического процесса в специфических условиях эксплуатации при соблюдении заданного уровня безопасности.

Оценка эффективности транспортной системы проводится с помощью различных критериев в зависимости от её функционального назначения. Выбор критерия подразумевает количественную оценку эффективности по конструктивным параметрам или показателям эксплуатационных свойств, зависящих от конструктивных решений.

Существуют критерии эффективности: 

- единичные (максимальная скорость движения, контрольный расход топлива, максимальная сила тяги и др.);

- обобщенные (средняя скорость движения на маршруте);

- комплексные (производительность);

- интегральные (рентабельность перевозок).

Свойства транспортной системы подразделяются:

- на классификационные (грузоподъемность, объем двигателя и т.п.);

- на эксплуатационные (тягово-скоростные, тормозные и т.д., они формируют характер движения транспортной системы);

- на потребительские (надежность, экологичность и т.п., они не формируют характер движения, но влияют на безопасность движения);

- не влияющие на безопасность (эстетические, унификации и т.п.).

Таким образом, наилучшей конструкцией транспортной системы будет считаться та, которая обеспечивает максимальную приспособленность к конкретным или специфическим для рассматриваемой транспортной системы условиям эксплуатации. Такая транспортная система будет иметь максимальную эффективность в заданных условиях эксплуатации.

Эксплуатационные свойства обеспечивают максимальную производительность транспортной системы и могут быть отнесены к главной группе рассматриваемых свойств.

Эксплуатационные свойства – совокупность свойств, определяющих степень приспособленности транспортной системы к эксплуатации в качестве специфического  транспортного средства.

Эксплуатационные свойства включают:

  •  тягово-скоростные свойства;
  •  тормозные свойства;
  •  управляемость;
  •  устойчивость;
  •  топливную экономичность;
  •  маневренность;
  •  плавность хода;
  •  проходимость.

Тягово-скоростные свойства – совокупность свойств, определяющих диапазоны изменения скоростей движения и предельные интенсивности разгона транспортной системы при работе в тяговом режиме в различных дорожных условиях, ограниченные его тягово-сцепными возможностями.

Тормозные свойства – совокупность свойств, определяющих максимальное замедление транспортной системы при её движении на различных дорогах в тормозном режиме, предельные значения внешних сил, при действии которых заторможенная транспортная система надежно удерживается на месте или имеет необходимые минимальные установившиеся скорости при движении под уклон.

Управляемость – совокупность свойств, определяющих характеристики кинематических и динамических реакций транспортной системы на управляющее воздействие (т.е. способность транспортной системы двигаться по заданной траектории с возможностью её целенаправленного изменения).

Устойчивость – совокупность свойств, определяющих критические параметры по устойчивости движения и положения транспортной системы или отдельного её звена.

Топливная экономичность – совокупность свойств, определяющих расход топлива при движении транспортной системы в различных дорожных условиях.

Маневренность – совокупность свойств, характеризующих возможность транспортной системы изменять заданным образом свое положение на ограниченной площади в условиях, требующих движения по траекториям большой кривизны с резким изменением направления движения, в том числе и на задней передаче.

Плавность хода – совокупность свойств, обеспечивающих ограничение в пределах установленных норм вибронагруженности экипажа транспортной системы, элементов её шасси и корпуса.

Проходимость – совокупность свойств, определяющих возможность движения транспортной системы в ухудшенных дорожных условиях, по бездорожью и при преодолении различных препятствий.

Сочлененная транспортная система рассматривается как система,  предназначенная для эксплуатации преимущественно на временных дорогах или дорогах в неудовлетворительном состоянии. Такие дорожные условия ограничивают перемещение транспортной системы как по опорно-сцепным, так и тягово-скоростным свойствам.  Из всего комплекса эксплуатационных свойств, наиболее характерных для сочлененных транспортных систем, целесообразно принять к более детальному рассмотрению тягово-скоростные свойства, маневренность, колебательные процессы и проходимость. Эти эксплуатационные свойства будут наиболее полно характеризовать эффективность транспортно-технологического процесса, выполняемого сочлененной транспортной системой.

1.2. Влияние активизации прицепных секций на повышение проходимости транспортных систем

Обоснованием повышения эксплуатационных свойств транспортных систем при использовании активизации прицепных секций занимались видные ученые в области теории движения транспортных систем Е.А. Чудаков [173, 174], Я.С. Агейкин [2,3,4], Р.Г. Армадеров [16], Я.Х. Закин [69], В.Ф. Платонов [126],  Д.Г. Поляк [132],  А.А.Полунгян [137], В.М. Семёнов [151], Г.И. Гладов [48], Л.В. Барахтанов, В.В.  Беляков [111] и другие.

Труды этих ученых доказывают однозначное повышение эксплуатационных свойств сочленённых транспортных систем при использовании активизации прицепных секций.  Авторами предлагаются различные критерии оценки повышения эксплуатационных свойств, но все они сходятся в одном – наиболее обобщающим показателем эффективности применения активизации движителей прицепных секций является свободная сила тяги на крюке. Именно этот параметр комплексно характеризует  способность транспортной системы перевозить больше груза или преодолевать дополнительные сопротивления движению.

1.2.1. Проходимость транспортных систем

 Проходимость - возможность движения АТС в ухудшенных дорожных условиях, по бездорожью, преодолевая различные препятствия [2, 4].

Ухудшенные дорожные условия:

   - мокрые;

   - грязные;

   - заснеженные;

   - обледенелые;

   - разбитые и размокшие дороги.

Препятствия:

   - уклоны;

   - барьерные препятствия (дорожные насыпи, каналы, придорожные  кюветы, рвы);

    - дискретные препятствия (пни, кочки, валуны).

По уровню проходимости  АТС  различают:

   - дорожные (обычной проходимости);

   - повышенной проходимости;

   - высокой проходимости.

Дорожные  -   АТС (автомобили и автопоезда), предназначенные для использования на дорогах с твёрдым покрытием.

Конструктивные признаки:

   - колёсная формула 42, 62, 64 (полноприводность);

   - рисунок протектора шин (дорожный или универсальный);

   - конструкция трансмиссии (неблокируемые дифференциалы).

Повышенной проходимости  - АТС, предназначенные для использования как на дорогах с твёрдым покрытием, так и вне дорог и для преодоления естественных препятствий.

Конструктивные признаки:

   - полноприводность (44, 66);

   - рисунок   протектора   (тороидные  шины  с  грунтозацепами, широкопрофильные или арочные шины), регулируемое давление в шинах;

   - трансмиссия – с блокируемыми межосевыми и межколёсными дифференциалами;

   - средства самовытаскивания, обеспечение плавучести.

Высокой проходимости  -  АТС для преимущественного использования в условиях бездорожья, преодоления естественных и искусственных препятствий, водных преград.

Конструктивные признаки:

   - полноприводность;

   - самоблокирующиеся дифференциалы;

   - специальные шины (сверхнизкое давление, пневмокатки и т.п.);

   - дополнительные устройства (выдвижные катки для преодоления канав, устройства для обособленного перемещения звеньев автопоездов и т.д.);

   - наличие движителя для преодоления водных преград;

   - своеобразная компоновка.

1.2.2. Оценочные показатели проходимости транспортных систем

Оценочные показатели опорно-сцепной и профильной проходимости для полноприводных автомобилей определены в [2,4,82]. Кроме показателей профильной и опорно-сцепной проходимости различают комплексные показатели проходимости (рис.1.1).

Рис. 1.1. Показатели проходимости

Показатели опорно-сцепной проходимости

Сцепная масса (сцепной вес) транспортной системы mсц (Gсц) – часть массы (веса) транспортной системы, создающая равнодействующую элементарных нормальных реакций опорной поверхности на ведущие колеса:

,

где  g – ускорение свободного падения, м/с2;

      Rzij – равнодействующая элементарных нормальных реакций опорной поверхности на ведущие колеса, кН;

        n – число колес на ведущей оси транспортной системы;

        m – число ведущих осей транспортной системы;

        α – угол продольного уклона опорной поверхности, град.

Коэффициент сцепной массы (сцепного веса) транспортной системы kсц – отношение сцепной массы mсц (сцепного веса Gсц) к полной массе mа (полному весу Gа) транспортной системы:

.

Удельная мощность транспортной системы Nуд – отношение номинальной мощности двигателя Nе max к полной массе транспортной системы mа:

.

Мощность сопротивления качению транспортной системы Nf – мощность, равная сумме мощностей сопротивления качению колес транспортной системы:

,

где   n – число колес транспортной системы;

        m – число осей транспортной системы.

Мощность сопротивления движению транспортной системы Nд – мощность, равная сумме мощности сопротивления качению транспортной системы Nf, мощности, затрачиваемой на преодоление трения в трансмиссии Nтр, сопротивления подъему Ni, инерции транспортной системы Nj и сопротивления воздушной среды Nw:

Nд = Nf + Nтр + Ni + Nj + Nw .

Мощность колееобразования транспортной системы Nfг – часть мощности сопротивления качению Nf, затрачиваемая на деформирование опорной поверхности движителем  транспортной системы.

Полная сила тяги транспортной системы Pк – сила тяги , равная сумме сил тяги ведущих колес транспортной системы:

,

где   n – число колес на ведущей оси транспортной системы;

       m – число ведущих осей транспортной системы.

Свободная сила тяги транспортной системы Pа – сила тяги, равная разности между полной силой тяги Pк, равномерно движущейся по горизонтальной опорной поверхности транспортной системы, и суммой сил сопротивления воздуха Pw и толкающих сил ведомых колес Pfвед.

Коэффициент свободной тяги транспортной системы kсв – отношение свободной силы тяги Pа к полному весу транспортной системы Gа:

.

Сила тяги на крюке транспортной системы Pкр – сила, приложенная к транспортной системе со стороны буксируемого дополнительного прицепного звена.

Удельная сила тяги на крюке транспортной системы kкр  – отношение силы тяги на крюке Pкр к полному весу транспортной системы Gа:

.

Тяговая мощность на крюке транспортной системы Nкр – мощность, равная произведению силы тяги на крюке Pкр на скорость движения транспортной системы v:

.

Удельная тяговая мощность на крюке транспортной системы γкр – отношение тяговой мощности на крюке Nкр к полной массе транспортной системы:

.

Давление колес на дорогу. Оценивается средним давлением колеса в контакте pк и средним давлением колеса по выступам рисунка протектора pпр.

Среднее давление колеса в контакте – отношение равнодействующей элементарных нормальных реакций опорной поверхности на колесо Rz к контурной площади контакта Sк:

.

Среднее давление колеса по выступам рисунка протектора – отношение Rz к площади контакта по выступам рисунка протектора Sпр:

.

Тягово-скоростная характеристика транспортной системы на заданном участке местности – зависимость удельной силы тяги на крюке kкр от скорости v транспортной системы на различных передачах трансмиссии .

Зависимость мощности сопротивления качению Nf от скорости движения v транспортной системы – графическое вычитание из мощности Nк, подведенной к ведущим колесам, мощности на крюке Nкр.

Способность преодоления труднопроходимых участков пути – экспериментально определяемый предельный уровень проходимости при преодолении размокших грунтовых участков (суглинок или чернозем) и заболоченного луга с низкой несущей способностью.

Наибольшая глубина преодолеваемой снежной целины Нг – экспериментально определяемый предельный уровень проходимости при преодолении тяжелого снежного бездорожья.

Два последних показателя определяют экспериментально путем последовательного преодоления участков со всё более тяжелыми условиями движения вплоть до потери проходимости.

Показатели профильной проходимости

Дорожный просвет hк – расстояние от опорной поверхности до одной из наиболее низко расположенных точек транспортной системы.

Угол переднего γ1  (заднего γ2) свеса – угол между опорной поверхностью и плоскостью, касательной к окружностям наружных диаметров передних (задних) колес и проходящей через точку контура передней (задней)  части транспортной системы таким образом, что все остальные точки контура оказываются с внешней стороны названного угла.

Продольный радиус проходимости Rпр – радиус цилиндра, касательного к окружностям, описанным свободными радиусами соседних колес, наиболее разнесенных по базе, и проходящего через точку контура нижней части транспортной системы таким образом, что все остальные точки контура оказываются с внешней стороны этого цилиндра.

Наибольший угол преодолеваемого подъема αmax – угол подъема, имеющего протяженность не менее двукратной длины транспортной системы и ровную опорную поверхность, преодолеваемый транспортной системой без использования инерции, нарушений условий нормальной работы агрегатов и безопасности движения.

Наибольший угол преодолеваемого транспортной системой косогора βmax – угол поперечного уклона с ровной опорной поверхностью, который преодолевает автомобиль без бокового скольжения колес более чем на ширину профиля шины, без нарушения условий нормальной работы агрегатов и безопасности движения.

Углы гибкости в вертикальной и горизонтальной плоскостях:

для прицепной сочлененной транспортной системы – вертикальный продольный угол гибкости α и горизонтальный угол гибкости β – углы возможного отклонения оси дышла прицепа от оси тягово-сцепного устройства первой секции и вертикальный поперечный угол гибкости γ поворота вокруг продольной оси прицепной секции относительно первой секции сочлененной транспортной системы;

для седельной сочлененной транспортной системы – углы гибкости α, β, и γ определяются соответствующими предельными положениями продольных осей первой секции и полуприцепа (второй или технологической секции) и поперечным наклоном полуприцепа относительно первой секции (при трехстепенном узле сочленения между секциями).

Поперечный радиус проходимости Rп – радиус цилиндра, касательного к колесам одного моста и проходящего через точку контура нижней части транспортной системы.

Угол перекоса мостов γ – сумма углов перекоса переднего γ1 и заднего γ2 мостов относительно горизонтальной плоскости.

Коэффициент совпадения следов передних и задних колес ηс – отношение ширины следов за передним и задним колесом.

Ширина рва bр – наибольшая ширина рва, преодолеваемого в поперечном направлении при движении автомобиля на низшей передаче в трансмиссии под прямым углом к оси рва.

Глубина брода Hб – максимальная глубина водной преграды, преодолеваемой транспортной системой.

Комплексные показатели проходимости

Трудность однозначного определения проходимости заключается в том, что условия, в которых приходится работать автомобилю или автопоезду, характеризуются большим количеством факторов, изменяющихся в очень широком диапазоне значений.

Комплексные показатели проходимости делятся на две группы:

- показатели возможности движения транспортной системы по тягово-сцепным качествам;

- показатели технико-экономической эффективности выполнения транспортной работы.

Коэффициент проходимости по тяговым возможностям

,

где  Рψ – суммарная сила сопротивления движению транспортной системы;

      Ркijmax – максимальная сила тяги на ij–м колесе транспортной системы;

      n – число колес на ведущей оси транспортной системы;

      m – число ведущих осей транспортной системы.

Коэффициент проходимости по сцеплению ведущих колес с грунтом 

,

где  Pf – сила сопротивления качению транспортной системы;

      Рφijmax – максимальная сила сцепления на ij–м ведущем колесе транспортной системы;

      n – число колес на ведущей оси транспортной системы;

      m – число ведущих осей транспортной системы.

Подставив в правую часть равенства значения сил, получим

,                               

где    f – коэффициент сопротивления качению транспортной системы;

        kсц – коэффициент сцепной массы;

        φ – коэффициент сцепления ведущих колес с опорной поверхностью.

Коэффициент проходимости по несущей способности грунта

,

где  рср – среднее давление в контакте колеса с грунтом;

      рs – несущая способность грунта.

Коэффициент проходимости по погружению колеса в грунт

,

где   hг – глубина погружения колеса в грунт;

       hк – дорожный просвет транспортной системы.

Коэффициент проходимости по деформируемой опорной поверхности с осреднёнными параметрами её механических свойств

,

где  αmax – максимальный угол преодолеваемого транспортной системой подъема;

       kсц – коэффициент сцепного веса;

       φ – коэффициент сцепления движителей с грунтом;

        f – коэффициент сопротивления качению транспортной системы.

Факторы проходимости для оценки эффективности использования транспортной системы на труднопроходимых участках

где  mгм, vм, Sм, tм,  Qм – соответственно, масса перевозимого груза, скорость транспортной системы, длина участка, время движения, расход топлива при преодолении труднопроходимого участка;

mг, v, S, t, Q – соответственно масса перевозимого груза, скорость, длина участка, время движения и расход топлива при движении транспортной системы по дороге с усовершенствованным покрытием.

Показатель эффективности - отношение производительности автомобиля к единице израсходованного топлива:

.

В общем случае условие движения транспортной системы по сцеплению и сопротивлению (при детерминированном подходе) выражается неравенством

                                                    .                                     (1.1)

Невыполнение левой части неравенства – полная потеря проходимости.

Невыполнение правой части неравенства – частичная потеря проходимости (рис. 1.2).

Специфичность работы сочлененной транспортной системы обусловлена, в частности, разнообразием дорожных условий, в которых ей приходится выполнять свои функции. Как следствие,  в зависимости от режимов эксплуатации, возникают различные варианты взаимодействия звеньев транспортной системы и различные варианты потери проходимости [22,24,26].

Анализ различных состояний при движении сочлененной транспортной системы и потере ею проходимости возможен на основании ориентированного графа [21,22]. Вершины графа характеризуют состояние сочлененной транспортной системы в данный момент времени, а рёбра – переход из одного состояния в другое  в зависимости от режима движения. На рис. 1.3 представлен ориентированный граф состояний сочленённой транспортной системы с активной первой секцией и пассивным прицепом (автопоезд в составе тягача и пассивного прицепа).

Рис. 1.2. Потеря проходимости

На рис. 1.3 цифрой 1 обозначено состояние сочлененной транспортной системы, характеризуемое движением за счет тягового усилия первой секции (тягача). При этом выполняются условия движения по сцеплению и сопротивлению.  Цифрой  2 – состояние, при котором происходит частичная потеря проходимости (невыполнение правой части неравенства (1.1)). Из этого состояния транспортная система может выйти с использованием различных средств (цепи противоскольжения, уменьшение давления воздуха в шинах и т.п.). Состояние транспортной системы, обозначенное цифрой 3, – поглощающее. При этом не выполняется левая часть неравенства (1.1), и транспортная система может выйти из него только с помощью дополнительного внешнего источника энергии.

Рис. 1.3. Граф состояний СТС с пассивной прицепной секцией

Ориентированный граф состояний двухкомплектной АСТС представлен на рис. 1.4.

На рис. 1.4  графа состояний двухкомплектной АСТС цифрами обозначено:

1 – состояние, когда движение АСТС осуществляется за счет сил тяги первой и второй секций (выполняется неравенство (1.1));

2 – движение осуществляется за счет колес второй секции. У колес первой секции – скольжение (в зависимости от знака кинематического рассогласования – юз или буксование);

3 – движение за счет колес первой секции, колеса второй секции – скольжение;

4 – потеря проходимости: колеса первой секции в состоянии буксования, силы тяги второй секции недостаточно для движения. Из этого состояния АСТС не может самостоятельно вернуться в состояние 2;

Рис. 1.4. Граф состояний двухкомплектной АСТС

5 – потеря проходимости: силы тяги первой секции недостаточно для движения АСТС, колеса второй секции – в состоянии буксования. Из состояния 5 самостоятельное возвращение в состояние 3 невозможно;

6 – движение АСТС за счет колес первой секции, колеса второй секции не создают силы тяги (или она недостаточна для преодоления силы сопротивления движению АСТС);

7 – движение АСТС за счет колес второй секции, касательная сила тяги колес первой секции меньше силы его суммарного сопротивления движению. Движение возможно только в случае превосходства силой тяги второй секции над силой суммарного сопротивления движению АСТС;

8 – потеря проходимости из-за скольжения колес первой и второй секций;

9 – потеря проходимости: недостаточная сила тяги колес первой и второй секций. Поглощающее состояние. Самостоятельный выход из этого состояния невозможен.

Граф состояний АСТС позволяет формализовать различные режимы движения при изменении кинематического рассогласования между секциями, изменение дорожных условий и т.п. В дальнейшем граф состояний будет использован для анализа взаимодействия между секциями АСТС при различных режимах движения.

  1.  Проходимость активных сочлененных транспортных систем

Создание АСТС может идти двумя путями:

-    разработка новых транспортных систем;

-   расширение возможностей уже созданных транспортных систем путем конструктивных изменений.

При разработке новых транспортных систем в конструкцию, начиная с тягового расчета и эскизного проекта, закладываются технические решения, обеспечивающие требуемые функциональные возможности. Это касается как показателей опорно-сцепной, так и профильной проходимости.

При повышении эксплуатационных свойств существующих транспортных систем показатели профильной проходимости уже заложены в конструкцию и с большим трудом могут подвергаться изменениям. Поэтому для таких систем целесообразно рассматривать только показатели опорно-сцепной проходимости, так как они, даже в процессе эксплуатации, могут быть различными путями усовершенствованы. Например, использованием привода к движителям прицепных секций (активизация прицепного состава).

Рассмотрим двухсекционную транспортную систему, состоящую из трехосного тягача и двухосного полуприцепа. Возможные колесные формулы такой транспортной системы, в случае активизации прицепа,  приведены в табл. 1.1.

Примем в качестве критерия для сравнения различных схем транспортной системы по опорно-сцепной проходимости коэффициент проходимости по сцеплению ведущих колес с грунтом. Для этого необходимо знать характеристики опорной поверхности (коэффициенты сцепления и сопротивления) и величину коэффициента сцепной массы. Выберем для сравнения четыре вида опорной поверхности, значения коэффициентов сцепления и сопротивления которых приведены в табл. 1.2.

Для сравнения схем примем распределение общего веса транспортной системы по мостам в соответствии с паспортом тягача, а распределение веса прицепного звена в соотношении один к двум, то есть одна треть веса прицепного звена приходится на тягач, а две трети – на опорную тележку прицепа.

Примем к рассмотрению транспортные системы, технические данные которых представлены в табл. 1.3.

Подставим соответствующие значения коэффициента сцепного веса, коэффициентов сцепления и сопротивления в выражение для определения значения критерия проходимости по сцеплению

.

Результаты расчетов приведены в табл. 1.4.

Как видно по результатам расчетов, повышение коэффициента проходимости по сцеплению происходит с увеличением коэффициента сцепной массы.

Неравенство (1.1) определяет предельные условия проходимости транспортной системы по сцеплению и сопротивлению.

Как известно, динамический фактор определяет возможность транспортной системы преодолевать сопротивления перемещению:

                                        

                                                                                                              (1.2)

где  Pа – свободная сила тяги¸ кН,

Pа = PкPw;

        Pк – суммарная касательная сила тяги транспортной системы, кН;

        Pw – сила сопротивления воздушной среды, кН;

Таблица 1.1

Колесные формулы

сочлененных транспортных систем

п/п

Схема транспортной системы

Колесная формула

1

10 х 4

2

10 х 6

3

10 х 10

колеса, имеющие привод      (ведущие или активные колеса)

 колеса, не имеющие привода (ведомые или пассивные колеса)

Таблица 1.2

Значения коэффициентов сцепления и сопротивления

№  п/п

Тип дороги

φ

f

1

Обледенелая

0,10

0,02

4

Грунт в распутицу

0,25

0,15

2

Укатанный снег

0,30

0,04

3

Гравий, щебень мокрые

0,40

0,04

        α  –  угол подъема (спуска) опорной поверхности, град;

        ψ –  коэффициент суммарного сопротивления движению транспортной системы.

Динамический фактор по сцеплению учитывает тяговые возможности транспортной системы, ограниченные его сцепными возможностями

 

                                                                                                           

где φ – коэффициент сцепления ведущих колес с опорной поверхностью.

Построив график зависимости динамического фактора от скорости движения, нанесем на него значения динамического фактора по сцеплению. В соответствии с (1.1) движение транспортной системы будет возможно только тогда, когда значения динамического фактора на соответствующих передачах будут находиться ниже  значения динамического фактора по сцеплению.

На рис. 1.5 показана динамическая характеристика сочлененной транспортной системы на базе тягача «Урал 44202-031» и полуприцепа. Из графика видно, что при коэффициенте сцепной массы, равной 0,6 (пассивная сочлененная транспортная система), движение возможно только на третьей, четвертой и пятой передачах в коробке перемены передач. В случае активизации колес прицепного состава, когда коэффициент сцепной массы становится равным единице, движение возможным на второй передаче. Таким образом, если транспортной системой полностью используется грузоподъемность, то на обледенелой дороге, в случае отсутствия активизации колес прицепного состава, вероятность потери проходимости по сцеплению возрастает.

Рис. 1.5.  Динамическая характеристика автомобиля «Урал 44202-0311»:

1, 2  – динамический фактор по сцеплению на дороге, покрытой льдом,

соответственно при kсц = 0,6 и kсц = 1;

3, 4 – динамический фактор по сцеплению на грунтовой дороге в распутицу,

соответственно при kсц = 0,6 и kсц = 1

Таблица 1.3

Технические характеристики некоторых тягачей с полуприцепом в обычном (пассивном) режиме и в составе активной сочлененной транспортной системы

№ п/п

Марка тягача

Масса тягача, т

Полная масса прицепа, т

Полная масса транспортной системы, т

Колесная формула

Коэффициент сцепной массы

собственная

полная

на первую ось

на вторую ось     (тележку)

1

 

Зил 442160 (66,67)

4,1

11,2

3,0

8,2

15,1

19,2 

8 х 2*

0,24

8 х 6**

0,75

2

КамАЗ 44108-02

9,05

19,2

5,55

13,65

22,8

31,85

10 х 6*

0,60

10 х 10**

1,00

3

КамАЗ 54115-13

7,04

19,15

4,3

14,85

27,0

34,0

10 х 4*

0,44

10 х 8**

0,87

4

МАЗ 642205 (08)

9,8

24.5

6.5

18.0

35.2

45.0

10 х 4*

0,40

10 х 8**

0,86

5

МАЗ 643008

10.4

29.4

7.4

22.0

37.6

48.0

10 х 4*

0,46

10 х 8**

0,85

6

МАЗ 643068

9.9

33.4

7.4

26.0

38.1

48,0

10 х 4*

0,46

10 х 8**

0,85

7

 

МАЗ 543202 (03,05,08)

8,0

19,0

7,5

11,5

31,9

40,0

8 х 2*

0,25

8 х 6**

0,81

8

МАЗ 642205 (90,96,97)

9,4

24,0

6,0

18,0

35,6

45,0

8 х 2*

0,25

8 х 6**

0,75

9

Урал 44202-0311

8,3

16,7

5,0

11,7

19,4

27,7

10 х 6*

0,60

10 х 10**

1,00

10

MAN F2000/E2000 Т12

15,0

35,0

9,0

26,0

105,0

120,0

10 х 6*

0,6

10 х 10**

1,00

11

Mercedes-Benz4853 S

13,6

48,0

16,0

32,0

166,4

180,0

12 х 4*

0,33

12 х 8**

0,66

12

TATRA T815-260 N 25

11,5

33,0

8,0

30,0

65,0

98,0

10х 6*

0,6

10 х 10**

1,00

13

TATRA T815-26 AN 34

11,5

33,0

8,0

30,0

63,5

75,0

10 х 6*

0,6

10 х 10**

1,00

* Сочлененная транспортная система с одним пассивным полуприцепом  

** Сочлененная транспортная система с одним активным полуприцепом

Таблица 1.4

Значение параметра проходимости  сочлененных транспортных

систем на различных типах опорной поверхности

№ п/п

Марка тягача

Колесная формула

Коэффициент сцепной массы

Параметр проходимости на грунте

Обледенелый

Грунт в распутицу

Укатанный снег

Гравий, щебень мокрые

1

Зил 442160 (66,67)

8 х 2*

0,43

0,535

-0,395

0,690

0,797

8 х 6**

0,84

0,762

0,286

0,841

0,896

2

КамАЗ 44108-02

10 х 6*

0,60

0,667

0,000

0,778

0,854

10 х 10**

1,00

0,800

0,400

0,867

0,913

КамАЗ 54115-13

10 х 4*

0,44

0,545

-0,364

0,697

0,801

10 х 8**

0,87

0,770

0,310

0,847

0,899

МАЗ 642205 (08) 

10 х 4*

0,40

0,500

-0,500

0,667

0,781

10 х 8**

0,86

0,767

0,302

0,845

0,898

5

МАЗ 643008 

10 х 4*

0,46

0,565

-0,304

0,710

0,810

10 х 8**

0,85

0,765

0,294

0,843

0,897

МАЗ 643068 

10 х 4*

0,54

0,630

-0,111

0,753

0,838

10 х 8**

0,85

0,765

0,294

0,843

0,897

МАЗ 543202 (03,05,08) 

8 х 2*

0,29

0,310

-1,069

0,540

0,698

8 х 6**

0,81

0,753

0,259

0,835

0,892

МАЗ 642205 (90,96,97) 

8 х 2*

0,40

0,500

-0,500

0,667

0,781

8 х 6**

0,87

0,770

0,310

0,847

0,899

Урал 44202-0311 

10 х 6*

0,60

0,667

0,000

0,778

0,854

10 х 10**

1,00

0,800

0,400

0,867

0,913

10 

MAN F2000/E2000 Т12 

10 х 6*

0,29

0,310

-1,069

0,540

0,698

10 х 10**

1,00

0,800

0,400

0,867

0,913

11 

Mercedes-Benz 4853 S 

12 х 4*

0,18

-0,111

-2,333

0,259

0,514

12 х 8**

0,91

0,780

0,341

0,853

0,904

12 

TATRA T815-260 N 25 

10х 6*

0,34

0,412

-0,765

0,608

0,743

10 х 10**

1,00

0,800

0,400

0,867

0,913

13 

TATRA T815-26 AN 34 

10 х 6*

0,44

0,545

-0,364

0,697

0,801

10 х 10**

1,00

0,800

0,400

0,867

0,913

* Сочлененная транспортная система с одним пассивным полуприцепом

** Сочлененная транспортная система с одним активным полуприцепом

Параметр проходимости в конкретных дорожных условиях зависит от коэффициента сцепной массы СТС. Для оценки проходимости конкретного СТС в определенных условиях составлена номограмма (рис. 1.6) [21], выражающая функциональную зависимость параметра проходимости «П» от коэффициента сцепной массы «k». Коэффициент сцепной массы имеет максимальное значение 1 для полноприводных АСТС.

Рис. 1.6. Номограмма для определения параметра проходимости:

1 –укатанная заснеженная дорога; 2 – разбитая грунтовая дорога; 3 – обледенелая дорога; 4 – грунтовая дорога в период распутицы

  1.  Обоснование использования сочлененных

транспортных систем в добывающих и сырьевых

отраслях экономики

1.3.1. Классификация сочленённых транспортных систем

Применение активных сочлененных транспортных систем в добывающих отраслях экономики является важнейшим средством повышения эффективности транспортно-технологического процесса.  Производительность сочлененных транспортных систем примерно на 60 % выше, чем производительность одиночных  автомобилей.  Себестоимость  перевозок  снижается более  чем  на 25 %.

Важным свойством сочлененных транспортных систем является возможность разъединения их секций. Это дает возможность применять одну первую энергетическую секцию для целого комплекса прицепных, выполняющих как транспортную или грузовую функцию, так и узко технологическую.

Применение АСТС в отраслях сельского хозяйства, а также в отраслях лесного, нефтегазового комплексов и других сырьевых и добывающих отраслях экономики дает возможность создания широкого диапазона технологических и транспортных систем.

АСТС бывают технологическими и транспортными. Такое разделение определяется назначением транспортной системы.

Технологическая АСТС состоит из двух и более секций, одна из которых исполняет роль мобильной энергосиловой установки (энергетический модуль), а вторая  несет узкую утилитарную функцию (технологический модуль). Подобные схемы АСТС могут широко использоваться в лесной, нефтедобывающей и газовой отраслях промышленности,  муниципальном хозяйстве, оборонном комплексе.

Транспортная АСТС представляет собой автомобильный или тракторный поезд, имеющий различное  расстояние от энергетического модуля до прицепного звена. К транспортным АСТС относятся колесные и гусеничные транспортные системы с шарнирно-сочленённой рамой (так называемой «ломающейся рамой»). Такие АСТС относятся к однокомплектным, то есть обособленное использование секций невозможно по конструктивным причинам.

На рис. 1.7  представлена классификация сочлененных транспортных систем.

Таким образом, перспективы развития сырьевых отраслей экономики дают основание обратить особое внимание на развитие специфического направления транспортных систем – СТС и ААП.

  1.  Применение сочленённых транспортных систем в отраслях национальной экономики

В качестве примера рассмотрим использование СТС в сельском хозяйстве, горнодобывающей промышленности и отраслях лесного комплекса.

В сельском хозяйстве удельный вес транспортных работ в годовой занятости колесных тракторов превышает 50 % и большая часть их приходится на временные дороги, полевые условия и т.п. При неблагоприятных погодных условиях, особенно в зонах «рискованного земледелия», такие дороги становятся существенным препятствием при выполнении технологических операций и транспортировке продукции.

Кроме того, большая часть сельскохозяйственной техники, выполняющей специфические технологические операции, имеет высокую энергонасыщенность, т.е. высокую мощность двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а использование этой техники происходит не более одного месяца в году. При этом техника должна храниться в особых условиях, подвергаться техническому обслуживанию во время эксплуатации и в период хранения. Обслуживание техники, имеющей ДВС, должно осуществляться высококвалифицированным персоналом в специальных условиях.

Использование СТС и ААП в сельском хозяйстве подразумевает следующую  схему:  один  энергетический  модуль  (в  качестве  такого модуля может быть использован серийный трактор) в зависимости от выполняемой в данный момент технологической операции соединяется с технологическим модулем (секцией), имеющим ведущие колеса для повышения проходимости (рис. 1.8).

В лесозаготовительной промышленности  использование СТС и АСТС дает возможность создания широкого спектра новых технологических и транспортных систем [21].

На рис. 1.9  представлены варианты использования СТС и АСТС в случаях, когда на базе    активной   прицепной   секции    монтируется   технологическое   

                                                                             

Рис. 1.7.  Классификация активных сочлененных транспортных систем

Рис. 1.8. Схема использования СТС и АСТС в сельском хозяйстве

оборудование, обеспечивающее непосредственное выполнение технологических операций.

В первом случае привод технологических АСТС осуществляется автономной мобильной энергетической установкой, которая посредством, например, гидравлического привода передает силовой поток на технологическую секцию.

Возможен вариант использования серийного тягового звена, например трактора, или другой технологической машины (на рис. 1.9 трелевочный трактор), которые выполняют функцию энергетического модуля, соединенного с другим технологическим модулем.

Энергетический модуль

Технологический модуль

   

Мобильная энергосиловая установка

                            

Валочно-пакетирующий

Валочно-трелевочный

Погрузочная, транспортная

Серийное тяговое звено

(трактор, тягач и т.п.)

     

                              

Совместно с валочным модулем              

        

Рис. 1.9. Сочлененные транспортные системы с технологическими модулями

Как в первом, так и во втором случае технологический модуль может иметь (АСТС) или не иметь (СТС) привод на движитель.

Транспортные  АСТС (см. рис. 1.7) включают в себя активную прицепную секцию, выполняющую транспортную операцию в составе автомобильного или тракторного поезда. На рис. 1.10 представлены возможные варианты транспортной АСТС.

Автомобильные

Тракторные

Рис. 1.10. Транспортные АСТС

В горнодобывающей промышленности  использование СТС и ААП позволяет отказаться от большегрузных самосвалов, имеющих коэффициент грузоподъемности 1,5 – 1,7, а используя энергетический модуль в составе с прицепным  звеном,  уменьшить  общий  вес транспортной  системы более  чем на 50 % с увеличением коэффициента грузоподъемности до  3,5 -4.

Рассмотрим более подробно обоснование применения сочлененных транспортных систем для горнодобывающей промышленности.

Проведем анализ традиционных транспортных систем, работающих на открытых горных разработках. Как правило, в качестве транспортной единицы используются автомобили-самосвалы семейства БелАЗ. В качестве основных сравнительных характеристик примем следующие:

- Qа – грузоподъемность, т;

- Gт – собственный вес транспортного средства, т;

- N – мощность  двигателя, кВт ;

- k – коэффициент грузоподъемности

Анализ технических характеристик (см. табл. 1.4) показывает, что автомобили-самосвалы БелАЗ не являются исключением среди других грузовых автомобилей (для сравнения приведены в табл. 1.5) по величине коэффициента грузоподъемности.

Таблица 1.5

Сравнительная характеристика автомобилей-самосвалов

п/п

Модель и марка автомобиля

Q, т

G, т

N, кВт

k

1

БелАЗ – 548А

40

28,8

367,7

1,4

2

БелАЗ - 549

75

67

772

1,2

3

БелАЗ - 75214

180

157

1 691

1,15

4

МАЗ- 5335

8

6,8

132,4

1,18

5

КамАЗ - 55102

7

9

154

0,78

6

МАЗ - 75165

24,5

22,4

346

1,1

 

Как указывалось выше, АСТС подразумевают, как минимум, две секции, одна из которых может  нести как транспортную, так и технологическую функцию. Прицепное звено в составе автопоезда является секцией, несущей технологическую функцию.

Рассмотрим характеристики выпускаемых отечественной промышленностью большегрузных прицепов.

В качестве сравниваемых параметров примем:

- марка и модель базового тягача;

- Qп – грузоподъемность прицепа, т;

- Gп – собственная масса прицепа, т;

- kп – коэффициент грузоподъемности прицепа;

- N – мощность  двигателя базового тягача, кВт;

- Qт – грузоподъемность тягача, т;

- Gт – собственная масса базового тягача, т;

- kа – отношение веса прицепа с полной нагрузкой к полному весу тягача.

Коэффициент грузоподъемности прицепа определяется аналогично коэффициенту грузоподъемности автомобилей-самосвалов. Для сравнения соотношения общего веса прицепа и тягача введем понятие коэффициента полной массы автопоезда kа. Коэффициент полной массы автопоезда будем определять как отношение полной массы прицепа к полной массе тягача:

Результаты анализа приведены в табл. 1.6.

Повышение грузоподъемности прицепа повышает его коэффициент грузоподъемности (табл. 1.6). Это объясняется, в частности, повышением количества колес.

Как видно из представленных данных, независимо от грузоподъемности прицепа, коэффициента его грузоподъемности и типа тягача значение коэффициента полной массы автопоездов  находится  в  пределах  1,3 – 1,7.  Причина заключается  в том, что в качестве тягачей используются универсальные транспортные средства, предназначенные как для перевозки грузов  на грузовой платформе, так и для буксировки прицепов.

Если определить, например, для прицепа ЧМЗАП-5212 необходимую массу тягового звена по условиям сцепления колес с грунтом, то она окажется 2,34 т, что соответствует собственному весу МАЗ-537П.

Таким образом, эффективность транспортной операции возрастает, если массу перевозимого груза располагать не на самом тягаче, а на прицепе, имеющем больший коэффициент грузоподъемности. Тягачом  в  таком  случае  будет

Таблица 1.6

Сравнительная характеристика прицепного состава

п/п

Марка прицепа

Qп, т

Gп, т

kп

Базовый тягач

Nт, кВт

Gт+Qт, т

kа

1

МАЗ-

8378

14,5

5,5

2,64

МАЗ-5335

13,3

14,8

1,36

2

ЧМЗАП-5523

25

6,8

3,7

КрАЗ-258

17,7

19.2

1,66

3

ЧМЗАП-5208

40

10,9

3,67

МАЗ-537П

52,5

44

1,16

4

ЧМЗАП-5212

60

13,9

4,32

МАЗ-537П

52,5

44

1,68

выступать тяговое звено, на котором располагается только силовой агрегат, осуществляющий привод на колеса тягового и прицепного звеньев, обеспечивая достаточные для движения силы.

Рассмотрим возможность создания сочлененной транспортной системы с большегрузным прицепным звеном и соответствующим ему по сцепным возможностям тяговым звеном.

В качестве аналога по грузоподъемности примем автомобиль-самосвал «БелАЗ – 75214» (табл.1.5) и коэффициент грузоподъемности большегрузного прицепа kп = 4 (табл. 1.6).

1. Определение общего веса прицепного звена.

1.1. Грузоподъемность прицепного звена

Qпр = 180 т.

1.2. Собственная масса прицепного звена

т.

1.3. Общая масса прицепа

Gп = Qпр + Gпр = 180 + 45 = 225 т.

2. Определение силы, необходимой для буксировки груженого прицепа.

2.1. Дорожные условия открытых горных разработок:

      - коэффициент сопротивления качению f = 0,02;

      - руководящий уклон i = 7 – 10 % (соответствует углу

подъема α ≈ 60);

      - рабочая скорость транспортной системы v = 10 км/ч = 2,78 м/с.

2.2. Сила суммарного сопротивления движению прицепного звена.

кН.

Для равномерного прямолинейного движения к буксирному устройству прицепного звена необходимо приложить силу (Pкр), равную силе суммарного сопротивления движению, то есть

Pкр = Pψп.

3. Определение мощности, затрачиваемой на буксировку прицепного звена.

Nп = Pкр· v,

где  Nп – мощность, затрачиваемая на буксировку прицепного звена, кВт.

Nп = 427,4·2,78 ≈ 1 188  кВт.

4. Определение мощности двигателя тягача

где  Nд – мощность двигателя тягача, кВт;

       ηтр ≈ 0,8 – коэффициент полезного действия трансмиссии.

кВт.

С учетом запаса мощности на преодоление непредвиденных сопротивлений эффективную мощность двигателя следует принять на 8 – 10 % выше расчетной:

Nе = Nд  + 10 % = 1 634 кВт.

Рассчитанная мощность соответствует мощности двигателя автомобиля-самосвала «БелАЗ – 75214».

5. Выбираем вес тягового звена из условия отсутствия буксования ведущих колес.

Условие движения транспортной системы при отсутствии буксования колес

PкРφ,

где  Рк – продольная сила на колесах тягача, кН;

       Рφ – сила сцепления колес с грунтом (сила тяги по сцеплению), кН.

Рφ = Gφ · φ,

где  Gφ – сцепная масса тягача, т.

Для полноприводных систем

Gφ = Gт.

        φ = 0,6 - 0,7 – коэффициент сцепления ведущих колес с опорной поверхностью для открытых горных разработок.

Примем граничное условие по сцеплению, то есть

Pк = Рφ.

Для возможности буксировать прицеп необходимо, чтобы продольная сила Pк была не меньше суммарной силы сопротивления движению прицепа:

Рк = Pψп= Ркр,

где Ркр – сила тяги на крюке тягового звена.

Тогда, с учетом предыдущих рассуждений,

т.

6. Сравним существующий автомобиль-самосвал грузоподъемностью 180 т с проектируемым по массовым показателям.

БелАЗ-75214.       Собственная масса, т                        -  157

                             Грузоподъемность, т                       -  180

                              Общая масса, т                               -  337

                             Коэффициент грузоподъемности     - 1,15

Проектируемый.  Масса прицепа, т                               -  45

                             Грузоподъемность, т                        -  180

                              Масса тягача, т                                -  71,24

                             Собственная масса, т                       -  116,24

                              Общая масса, т                                -  296,24

                              Коэффициент грузоподъемности    -  1,55

Разница собственных масс, т                                         -  41.

Таким образом, в случае применения тягача с прицепом, причем если тягач выполняет только тяговую функцию, перемещение груза осуществляется транспортной системой, имеющей собственную массу на 25 % меньше базовой.

Рассматриваемая система обеспечивает транспортную операцию, реализуя тяговые усилия только на колесах тягача.

Рассмотрим тот же вариант транспортной системы, но примем прицепную секцию активной. В этом случае тяговое звено будет выполнять только энергетическую функцию, то есть на ней будет располагаться силовая установка, а силовой поток будет передаваться на ведущие колеса прицепной секции и, частично, на колеса тягового звена, обеспечивая возможность его автономного перемещения.

Примем удельную мощность двигателя 0,25 кВт/т. В этом случае масса тягового звена, где будет располагаться силовая установка с учетом рамы, ходовой части и дополнительного оборудования, составит около 10 т. Общая масса транспортной системы будет

G = Gпр + Qпр + Gт = 180 + 45 + 10 = 235 т.

Мощность, необходимая для перемещения этой массы, составит около 1 681 кВт, что не превышает мощность силовой установки сравниваемого варианта. При этом собственная масса транспортной системы составит 55 т, что на 100 т ниже базовой.

Таким образом, на основании приведенных расчетов можно сделать вывод о целесообразности разработки комплекса машин для добывающих и сырьевых отраслей национальной экономики на базе СТС и АСТС.

  1.  Теория движения активных сочленённых

транспортных систем

2.1. Выбор обобщенных схем сочленённых транспортных систем

Классификация сочлененных транспортных систем, приведенная в п. 1.3.1, дает основание обобщить весь спектр машин и привести их к трем основным схемам:

- тяговая (прицепная) – силовое взаимодействие между энергетической и технологической секциями происходит через сцепное устройство, передающее только продольные усилия;

- опорно-тяговая (седельная) – технологическая секция  имеет опорную связь с энергетической секцией и взаимодействует с ней через опорно-тяговое устройство;

- комбинированная (роспуск) – силовое взаимодействие между секциями носит переменный характер: при движении с грузом – как при седельной (опорно-тяговой) схеме; движение без груза – прицепная (тяговая) схема.

Необходимость остановиться именно на трех схемах продиктована в первую очередь большим разнообразием возможных методов управления технологической секцией, которые вносят коррективы в расчетные схемы СТС.

   Как видно из основных схем, схема роспуска является обобщающей для прицепной и седельной:

- при движении АСТС с грузом расчетная схема аналогична седельной схеме;

- при движении без груза расчетная схема аналогична прицепной схеме.

Прицепы-роспуски применяются для перевозки длинномерных грузов: труб в нефтегазовой, деревьев в лесозаготовительной отраслях.

Особенностью перевозки длинномерных грузов является то, что в грузовом направлении усилие со стороны Т на прицепное звено передается через груз за счет его трения о коники Т и П. Часто кроме крестового тросового механизма поворота прицепа, вместо дышла используется тросовая сцепка. Порожнее движение происходит либо в режиме прицепной схемы (рис. 2.1), либо в режиме погруженного прицепа на тягач.

а

б

в

Рис. 2.1. Схемы АСТС:

а – тяговая; б – опорно-тяговая; в – комбинированная (с грузом)

2.2. Теория движения автомобильного поезда с активным прицепом

2.2.1. Криволинейное движение автопоезда с активным прицепом

Рассмотрим наиболее общий случай АСТС – ААП на базе трехосного автомобиля с активным прицепом.

Движение АСТС с бездифференциальным приводом между секциями сопровождается возникновением упругого момента в замкнутом контуре «трансмиссия – движитель – опорная поверхность». Наличие упругого момента в конечном счете влияет на силу тяги на крюке, по которой можно опосредованно судить о возможности АСТС преодолевать дорожные сопротивления (при изменении типа грунта или уклона дороги) или работать в составе многокомплектной АСТС.

Величина упругого момента в замкнутом контуре зависит от величины кинематического рассогласования, возникающего при движении АСТС. Работа с кинематическим рассогласованием – естественное состояние АСТС [24,70,125].  К возникновению кинематического рассогласования ведет разный радиус качения ведущих колес, который зависит от многих факторов, в том числе от величины ведущего момента, подведенного к ведущим колесам (при колесном движителе). Криволинейность дороги в плане и профиле заставляет элементы АСТС перемещаться с различными  относительными скоростями, что также ведет к возникновению кинематического рассогласования. Криволинейное движение АСТС с эластичным колесным движителем сопровождается уводом колес, изменяющим кинематические соотношения траектории АСТС. Изменение радиуса поворота секций АСТС приводит к изменению величины рассогласования.

Таким образом, формализация процесса движения АСТС должна включать перечисленные факторы, влияющие на свободную силу тяги на крюке АСТС.

Рассмотрим обособленное движение первой (Т)  и второй (П) секций АСТС.  Расчетные схемы сил, действующих на Т и П секции АСТС, представлены на рис. 2.2 и 2.3 [21]. Подобная схематизация применяется при формализации процесса движения в [21, 125]. Такая схема позволяет рассматривать процесс движения с учетом его криволинейности и соответственно боковых реакций со стороны опорной поверхности на движитель.

При выборе расчетной схемы и построении математической модели движения приняты следующие допущения:

- движение осуществляется по ровной недеформированной поверхности;

Рис. 2.2. Расчетная схема сил, действующих на первую секцию АСТС

Рис. 2.3. Расчетная схема сил, действующих на вторую секцию АСТС

- не учитывается отрыв колес от грунта;

- процесс движения происходит без зазоров в сцепке, и ударное взаимодействие звеньев отсутствует;

- при равномерном или ускоренном (замедленном) движении циклическое взаимодействие звеньев заменяется постоянной силой, знак которой зависит от знака кинематического рассогласования;

- масса груза приведена к центру масс Т и П.

При формализации процесса движения СТС воспользуемся уравнением Рауса с учетом связей, наложенных на АСТС со стороны опорной поверхности [20]. Для упрощения модели представим связи в виде  детерминированных зависимостей сил бокового увода от второй производной перемещения и сил инерции. Для введения в систему уравнений состояния, избавляющих систему от неопределенности, будем учитывать скольжение колес АСТС и боковой увод его осей. Рассмотрим обособленное движение первой и второй секций АСТС, заменив силы взаимодействия между секциями реакциями связей в точке сцепки. Для удобства формализации процесса движения представим связи в виде детерминированных зависимостей сил бокового увода от второй производной перемещения и сил инерции. Для введения в систему уравнений состояния, избавляющих систему от неопределенности, будем учитывать скольжение колес АСТС и увод осей.

Уравнение движения Т по горизонтальной плоскости

где  Т1 – кинетическая энергия первой секции;

       qj – обобщенная координата;

       Qj – обобщенная сила, соответствующая j-й обобщенной координате и получаемая из выражения для элементарной работы;

       Rj – обобщенная сила реакций неголономных или кинематико-силовых связей, соответствующая j-й координате;

       n – число обобщенных координат.

Положение Т определяют следующие обобщенные координаты:

XB, YB, τ, ψij,

где

 XB, YB – координаты точки приложения силы взаимодействия между секциями Т и П;

 ψij – угол поворота ij-го колеса в вертикальной плоскости;

 τ – угловая координата продольной оси Т.

Кинетическая энергия Т для принятой схемы

где

- проекция скорости центра масс Т на оси X и Y;

- момент инерции ij-го колеса;

- момент инерции Т;

- момент инерции двигателя Т;

- угол поворота коленчатого вала двигателя.

Связь коленчатого вала двигателя Т с его ведущими колесами описывается выражением

                                                                                                    (2.1)

где

– угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя;

– коэффициент,определяющий кинематическую связь коленчатого вала двигателя с ij-м колесом;

– угловая скорость ij-го колеса.

Проекции скорости центра масс Т, выраженные через обобщенные скорости, – первые производные от обобщенных координат, имеют вид

      

                                                         (2.2)

где

XB и YB – координаты точки приложения силы взаимодействия между секциями Т и П.

Используя уравнения (2.1) и (2.2), запишем уравнение кинетической энергии через обобщенные координаты и их производные:

Элементарная работа действующих на Т сил

где

– момент сопротивления повороту ij-го колеса;

– момент сопротивления качению ij-го колеса;

– крутящий момент на коленчатом валу двигателя;

– сила взаимодействия между звеньями АСТС;

γ1 – угол между продольной осью Т и вектором силы взаимодействия звеньев.

Выражения, стоящие перед вариациями обобщенных координат, есть обобщенные силы.

Работа сил реакций дает

где

Fij – суммарная касательная реакция на ij-м колесе Т;

Si – боковая реакция со стороны опорной поверхности на i-ю ось Т;

rij – радиус качения ij-го колеса;

– функция, определяющая знак силы на ij-м колесе.

Производные от кинетической энергии по обобщенным координатам:

            

          

Система уравнений для первой секции будет иметь следующий вид:

                                                                   (2.3)

Аналогичная система уравнений составляется для второй секции АСТС.

Обобщенные координаты, определяющие положение П (второй секции):

где   - координаты точки приложения силы взаимодействия между звеньями;

α – угловая координата продольной оси П;

– угол поворота ij-го колеса П в вертикальной плоскости.

Проекции скоростей центра масс П на оси координат и их производные через обобщенные координаты:

      

                                             

где

X02, Y02 – координаты центра масс П;

d – расстояние от центра масс П до точки приложения силы взаимодействия между звеньями АСТС.

Кинетическая энергия П:

где

JП – момент инерции П;

Jдп – момент инерции двигателя П;

сij – коэффициент,  определяющий  кинематическую  связь  двигателя  П  с ij-м колесом.

Элементарная работа действующих активных сил

где  Мдп – крутящий момент на валу двигателя П;

Ркр – свободная сила тяги на крюке.

Выражение координаты точки приложения свободной силы тяги на крюке через обобщенные координаты:

      

                                                

Тогда элементарная работа действующих сил

Выражения, стоящие перед обобщенными координатами, – обобщенные силы.

Работа сил реакций связей дает

Производные от кинетической энергии по обобщенным координатам:

            

          

Получим следующую систему уравнений:

                                       (2.4.)

                                  

                                                           (2.4.)         

Для определенности полученных систем уравнений (2.3) и (2.4) необходимо ввести 9 уравнений в систему уравнений движения первой секции и 6 уравнений – второй секции. Используем для этого уравнения скольжения ij-го колеса и увода колес i-й оси АСТС [43,47].

2.2.2. Кинематический  анализ  работы  автопоезда  с активным прицепом

Движение АСТС принимается плоским, параллельным неподвижной опорной поверхности, без учета вертикальных перемещений  её  отдельных частей (колебаний рамы на рессорах, качания дышла и др.). Поэтому движение каждого звена определяется движением плоской фигуры, являющейся проекцией этого звена на опорную плоскость.

Во время входа в поворот центры поворота  Т (О) и П (О1) (рис. 2.4) не будут совпадать [24]. Рассмотрим кинематические соотношения параметров поворота  от угла поворота управляемых колес.

В дифференциальной форме уравнение поворота имеет вид

С учетом интервалов времени выполнения различных стадий поворота решение уравнения для АСТС дает следующие результаты [24].

Первая стадия – входная переходная траектория. Время изменяется от t=0 до t.

Вторая стадия – круговая траектория. Время изменяется от t=0 до t2 τ1.

Третья стадия – выходная переходная траектория. Время изменяется от t=0 до t=τ3 – τ2.

Четвертая стадия – выходная прямолинейная траектория. Время изменяется от t=0 до t=۟

.

В этих выражениях  kП – режимный коэффициент (характеризует изменение приведенного угла поворота γ0 на единицу длины пройденного пути серединой ведущей оси Т) [16]:

м-1;

– угол круговой траектории (рис. 2.5);

ψk – угол между начальным и конечным направлениями движения АСТС (при повороте на 900 ψk = 0,5, при повороте на 1800 ψk = π), рад;

δ0 – угол поворота Т в момент начала его движения по круговой траектории [16], рад;

с0 – расстояние от оси заднего моста до точки сцепки дышла с Т, м;

L – расстояние от точки сцепки дышла с Т до точки крепления дышла к П, м;

Lt – база Т, м;


                                                                                                                                                                       ε1                    

                                             

                                        1                                                                               R1                      γ0

                                                                     

                                                                              

                                              

                O1                                                                           ε2

                                          O

                                                                                                         LT?

?????????????????????????????????????????????????????????????????X?????????????????????B??????

????????????????????????X???????????????????????????????????????????????????????????????????????????

?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

??????????????RП                                               RT                      ε3            L1

   R2                                                                    γ1                                      

                                                                     γ3                    C

                                                                       ε4    γ2        

                                            A

                                                                           L2

                                                      ε5                                                         

Рис.2.4. Геометрические параметры криволинейного движения АСТС


Рис. 2.5. Параметры основной траектории АСТС

S0 – путь, проходимый Т на переходной траектории, м;

где  R0 – радиус поворота Т,

iП – угловое передаточное отношение связи Т и П,

Величина угла γ3 определяется из треугольника АBC на рис. 2.4:

Таким образом, обеспечивается функциональная связь между геометрическими  параметрами  поворота  АСТС и углом поворота управляемых колёс γ0.

2.2.3. Увод колес автопоезда с активным прицепом

При криволинейном движении АСТС в силу того, что существуют боковые реакции со стороны опорной поверхности на колеса, возникает увод шин в сторону, противоположную повороту. Увод вызывает изменение кинематики поворота: изменяется радиус и смещается центр поворота.

Вопросы  увода шин глубоко изучались отечественными и зарубежными учеными [2,8,24,39,48,49,69,125 и др.]. По результатам экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

– зависимость между углами увода и боковыми силами в общем случае нелинейна;

– при малых углах увода колёс транспортной системы изменение отношения  (невелико и может считаться постоянным (, а зависимость ) – линейной. Отношение  – коэффициент сопротивления боковому уводу.

Коэффициент сопротивления боковому уводу Ky зависит от большого числа факторов, основными из которых являются:

- размеры и конструкция колеса;

- давление воздуха в шине;

- величина сил, действующих на колесо;

- скорость движения транспортного средства;

- форма траектории движения центра колеса;

- тип и состояние дорожного покрытия;

- характер приложения сил, действующих на колесо.

Кроме того, Ку  зависит от методики его определения. По данным ряда авторов [18, 24, 28] даже шины одной партии, выпускаемой на заводе, имеют разброс величин, достигающий 36 %. В [18] предлагается определять величину коэффициента сопротивления боковому уводу в зависимости от отношения радиальной деформации  шины к её диаметру. Эта величина может изменяться в пределах от 2 до 45 кН/рад. Из определения бокового увода видно, что угол увода шин зависит от боковой силы. При движении АСТС, особенно на высоких скоростях, будет увеличиваться боковое усилие на колеса. Это приведет к смещению центра и изменению радиуса поворота [4, 24, 28, 41].

Для определения угла увода колес транспортного средства, смещения центра и изменения радиуса поворота существуют аналитические зависимости [4, 28, 41].

В [28] рекомендуется рассматривать увод не отдельного колеса, а центра балки моста (ε1).  Из рис. 2.4 угол увода центра балки определяется как

Для рассматриваемой схемы АСТС с учетом геометрических параметров смещение центра и изменение радиуса поворота Т будет иметь вид

  

В [28] момент сопротивления повороту определяется следующим образом:

где

X – смещение центра поворота Т, м;

R – фактический радиус поворота Т, м;

γо – угол поворота управляемых колес, рад;

Ку – коэффициент сопротивления боковому уводу, Н/рад;

КG – коэффициент распределения масс по осям Т;

Кα – коэффициент управления;

Мμ – момент сопротивления повороту, Нм;

Rо – теоретический радиус поворота, м;

lо – длина отпечатка шины, м;

rо – свободный радиус колеса, м;

h – деформация шины, м;

с1 = 2,4; с2 = 0,5 – эмпирические коэффициенты, м2/Н;

Gij – вертикальная нагрузка на ij-м колесе, Н;

Рw – давление воздуха в шине, МПа;

Lт – база Т, м.

Если колеса средней и задней осей конструктивно выполнены на балансирной тележке, то

Значения величин смещения центра поворота и фактического радиуса поворота определяются аналогично.

Увод колес активного прицепа, расположенных так же, как и колеса средней и задней осей Т, определяются соотношением

Для активного П изменение радиуса и смещение центра поворота определяются аналогично Т, но с учетом геометрических параметров АСТС на повороте из рис. 2.4.

где γ2 – угол между продольными осями Т и П, рад.

Приведенные зависимости позволяют определить изменение геометрических параметров поворота АСТС в составе тягача и активного прицепа-роспуска.

Для оценки увода i-й оси АСТС воспользуемся рекомендациями из [41] и определим его через первые производные пути и углового перемещения звеньев АСТС

где

εi – увод i-го моста АСТС;

li – расстояние от точки крепления дышла до i-й оси Т или П;

– первая производная от обобщенной угловой координаты Т или П;

– первые производные координат i-го моста Т или П;

– линейная скорость центра i-го моста.

Выражения первых производных координат центров i-го моста через первые  производные  обобщенных  координат  Т или  П  в  соответствии  с рис. 2.2 и  2.3 будут иметь вид

,    

,        

Линейная скорость центра i-го моста

В приведенных выше выражениях индекс i = 1….5 – номер моста АСТС, начиная с переднего моста Т. Индекс n = 1 определяет Т, а n = 2  – П и соответственно обобщенные координаты α и τ.

С учетом сказанного увод i-й оси для Т:

и для прицепа:

2.2.4. Скольжение колес и кинематическое рассогласование

Скольжение ведущих колес ААП

Скольжение колеса характеризуется  одновременным перемещением всех его точек, находящихся в контакте с опорной поверхностью, относительно опорной поверхности [31].

Продольное скольжение колеса, направление которого совпадает с направлением тангенциальных скоростей точек колеса в контакте с опорной поверхностью, – буксование, несовпадение направления – юз. Движение без скольжения (упругое проскальзывание) – перемещение точек колеса, находящихся в контакте, относительно опорной поверхности при одновременном наличии точек, неподвижных относительно этой поверхности.

Для оценки величины скольжения используют безразмерную величину, определяемую как отношение разности окружной скорости и скорости перемещения оси колеса к окружной скорости колеса:

%,

где

– окружная скорость колеса;

– скорость перемещения оси колеса.

Тогда

В общем случае движения колеса Т и П проходят разный путь, что обусловлено криволинейностью траектории и разными сцепными характеристиками движителей.

При повороте АСТС линейная скорость оси колеса складывается из составляющей скорости центра балки моста и окружной скорости балки относительно её центра (рис. 2.6).

Тогда коэффициент скольжения ij-го неуправляемого колеса АСТС в соответствии с выражением, определяющим величину коэффициента скольжения,

Для управляемых колес

Рис. 2.6. Схема движения моста АСТС

Первые производные координат центра оси i-го моста, выраженные через первые производные обобщенных координат Т:

       ?

????????????

????????????

???????

?????????

?????????

Тогда, с учетом первых производных координат центра оси i-го моста, коэффициенты скольжения колес Т будут следующими:

Аналогично  запишем  первые производные координат центра оси i-го моста П

          

       

     

      

Скольжение колес:

Кинематическое рассогласование в замкнутом контуре «трансмиссия – ведущие колеса Т – ведущие колеса П – опорная поверхность»

Движение АСТС с бездифференциальным (блокированным) приводом колес П сопровождается возникновением в замкнутом контуре «трансмиссия – ведущие колеса Т – ведущие колеса П – опорная поверхность» упругого момента, который зависит от разности углов закрутки конечных элементов контура (кинематическое рассогласование) [4].

Величину кинематического рассогласования оценивают безразмерным коэффициентом, определяемым как отношение разности окружных скоростей колес Т и П за определенный промежуток времени и окружной скорости колес Т:

%,

где

ξ – коэффициент кинематического рассогласования;

Vω2 – окружная скорость колес П;

Vω1 – окружная скорость колес Т.

При оценке величины ξ АСТС целесообразно рассматривать «приведенное» колесо Т и «приведенное» колесо П [31].

Для определения приведенных характеристик целесообразно воспользоваться методикой, предложенной в [31].

Сумма крутящих моментов, подведенных к ведущим мостам Т, равна величине крутящего момента двигателя с учетом передаточного числа трансмиссии, то есть

где

Mi – крутящий момент, подведенный к i-му ведущему мосту Т, кНм;

Мдв – крутящий момент на коленчатом валу двигателя, кНм;

iтр – передаточное число трансмиссии (от двигателя к i-му мосту);

n – число ведущих мостов.

Радиус приведенного колеса и его тангенциальную эластичность при симметричном дифференциальном приводе колес моста определяют следующим образом:

где

nк – число колес, связанных симметричным дифференциальным приводом;

rkj – радиус j-го колеса, м;

λк  –  тангенциальная эластичность колеса (при одинаковой тангенциальной эластичности колес движителя), мм/Нм.

Причины возникновения кинематического рассогласования разделим на три группы:

- конструктивное кинематическое рассогласование;

- рассогласование от криволинейного движения;

- рассогласование от неровностей профиля пути.

При анализе будем рассматривать только межосевое и межсекционное рассогласование, так как межколесный дифференциал исключает возможность появления замкнутого контура, если пренебречь влиянием трения в дифференциале. Общее рассогласование будет складываться из величин рассогласования по отдельным группам.

1. Конструктивное кинематическое рассогласование

Причины, ведущие к возникновению конструктивного кинематического рассогласования между Т и П:

- разность радиусов качения в пределах допуска на изготовление шин (при одинаковых шинах на Т и П);

- изменение давления воздуха в шинах;

- распределение массы по звеньям АСТС;

- динамические вертикальные нагрузки.

По данным П.В. Аксенова [44], величина рассогласования в отдельных случаях изменяется  от 1 до 7 % и в сумме может составлять до 12 %.

В  случае  ААП  из-за  разного типа шин Т и П рассогласование достигает 7 %. Изменение давления воздуха в шинах – 1-1,5 %. Распределение нагрузки на звенья – до 1,5 %. Суммарное рассогласование может достигать 14 – 15 %.

2. Кинематическое рассогласование от криволинейного движения

При криволинейном движении АСТС возможны три режима:

- входная переходная траектория;

- круговая траектория;

- выходная переходная траектория.

В каждом из этих случаев различные варианты соотношения радиусов поворота Т и П и, следовательно, разные варианты кинематического рассогласования.

Вход в поворот. Характеризуется несовпадением центров поворота Т и П. При этом радиус поворота Т меньше радиуса поворота П:

Rт < Rп.

При этом для обеспечения  движения без скольжения необходимо соблюдение неравенства

nт < nп,

где

nт – частота вращения колес Т;

nп – частота вращения колес П.

В этом случае рассогласование ξ будет отрицательным:

ξ < 0.

Круговая траектория. Характерна тем, что существует смещение траектории движения П в сторону центра. При этом

Rт > Rп,      nт > nп.

Тогда рассогласование

ξ > 0.

Выходная траектория. Несовпадение центров поворота Т и П. Справедливы следующие неравенства:

Rт > Rп,      nт > nп.

ξ > 0.

Следовательно, кинематическое рассогласование при криволинейном движении зависит от соотношения радиусов поворота Т и П и в общем виде оценивается следующим соотношением:

%.

Таким образом, в начальной стадии поворота, когда Т движется по входной переходной  траектории, а П ещё продолжает движение по прямой, колеса Т вращаются с меньшей частотой по сравнению с колесами П и возникает отрицательное рассогласование.

Движение по круговой и выходной переходной траекториям вызывает большую частоту вращения колес Т и положительное рассогласование, причем чем меньше радиус криволинейного движения, тем больше величина кинематического рассогласования.

Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании АСТС и вводить в привод колес П устройства, позволяющие обеспечивать автоматическое регулирование рассогласования.

3. Кинематическое рассогласование от макронеровностей пути

Кинематическое рассогласование от вертикальных макронеровностей возникает вследствие разных путей, проходимых звеньями АСТС при движении одного звена на подъем или спуск, в то время как второе звено продолжает движение по горизонтальному участку. Эти вопросы кратко рассмотрены в [4, 45].

Для практических расчетов целесообразно использовать следующую зависимость:

где θ – угол подъема или спуска пути.

В случае, если неровности имеют характер, близкий к синусоидальному, что встречается на грунтовых дорогах, движение можно рассматривать как сочетание последовательных подъемов и спусков. По данным [4], величина кинематического рассогласования в этом случае не превышает 2 %.

Выразив через коэффициент ξ кинематические параметры одного эвена АСТС через второе и подставив полученные зависимости в систему уравнений движения АСТС, можно исследовать влияние кинематического рассогласования между Т и П на динамические параметры движения АСТС или определять рациональную величину рассогласования по критерию максимальной силы тяги на крюке АСТС, что комплексно характеризует тяговые возможности транспортной системы.

2.2.5. Взаимодействие звеньев автопоезда с активным прицепом

Взаимодействие звеньев пассивного автопоезда при прямолинейном движении

Для перемещения пассивного прицепа тягач должен приложить к нему силу, величина которой должна быть не меньше суммы сил всех сопротивлений движению. Приложенная к П сила – сила взаимодействия звеньев – не должна превышать силу трения пакета груза о коник Т.

Рис. 2.7. Силы, действующие на пассивный прицеп автопоезда

Из рис. 2.7 сила взаимодействия будет иметь вид

Для П сила FR будет положительна, а для Т – отрицательна.

Взаимодействие звеньев ААП при прямолинейном равномерном движении

При движении активного П (рис. 2.8) сила, с которой он воздействует на Т, определяется следующим образом:

где функция  означает, что у активного П  привод  может осуществляться не на все оси, поэтому знак силы будет зависеть от того, активная у П ось или нет.

Рис. 2.8. Силы, действующие на активный прицеп автопоезда

В данном случае ограничением также выступает сила трения пакета груза о коники:

Эти рассуждения справедливы для отрицательного рассогласования в замкнутом контуре при выполнении условия проходимости по сцеплению, то есть когда результирующая касательная реакция не превышает максимально возможную силу тяги по сцеплению в данных дорожных условиях.

В противном случае взаимодействие сведется к варианту с пассивным прицепом. При этом сила будет определяться как сила сопротивления скольжению (сила сопротивления юза при положительном рассогласовании и сила сопротивления при буксовании в случае отрицательного рассогласования).

Анализ взаимодействия звеньев ААП при различных вариантах рассогласования и сцепных возможностях Т и П приведен в табл. 2.1.

Суммарная сила тяги пассивного автопоезда определяется как суммарная касательная сила тяги колес Т  и суммарная сила сопротивления движению Т минус сила взаимодействия звеньев ААП:

Суммарная сила тяги ААП в случае положительного рассогласования будет складываться из суммарной силы тяги Т и толкающей силы со стороны П с учетом сопротивления движению от уклона:

При различных вариантах рассогласования и коэффициентах сцепления колес Т и П с грунтом будет изменяться знак силы взаимодействия звеньев FR, а при определении этих сил – учитываться сила сопротивления движению при скольжении (юзе или буксовании).

Для решения систем уравнений движения АСТС-АПП в выражения силы взаимодействия звеньев необходимо подставлять предельные значения параметров движения. В случае пассивного прицепа максимальная сила, которая может быть приложена к П, определяется динамическими качествами Т и его сцепными возможностями:

                                                          (2.5)

В систему уравнений (2.4) движения П вместо силы FR подставляется суммарное значение равнодействующих элементарных касательных реакций ij-го колеса Т.

В случае АСТС-ААП при подстановке в систему уравнений движения П значений (2.5) необходимо учитывать величину рассогласования и режим движения, что окажет влияние на знак силы FR.

В зависимости от дорожных условий, в которых движется АСТС-ААП, и от кинематического рассогласования возможно возникновение положительного и отрицательного скольжения колес Т и П. При этом скользящие колеса будут оказывать сопротивление движению АСТС. Величина коэффициента сопротивления движению, без учета горизонтальной составляющей силы тяжести, будет определяться из следующих соотношений [32]:

1) при положительном скольжении ведущих колес (буксование):

где   – коэффициент сопротивления качению колес при отсутствии скольжения;

     rko – радиус качения колеса, м;

     rkmin – радиус качения колеса при буксовании, м.

где   - тангенциальная эластичность шин, м/Нм;

      – коэффициент сцепления колес с грунтом;

2) при отрицательном скольжении (юз):

Тангенциальная эластичность ведущих колес ведет к изменению динамического радиуса колеса в зависимости от приложенного к нему крутящего момента [32]:

Таким образом, динамический радиус ведущих колес будет изменяться в зависимости от передаточного отношения в трансмиссии АСТС.

Разнообразие дорожных условий, в которых приходится работать АСТС, оказывает влияние на характер его движения и, как следствие, вызывает различные варианты взаимодействия звеньев АСТС. Анализ различных случаев взаимодействия звеньев, представленный в виде ориентированного графа состояний АСТС, показан на рис. 1.3 и 1.4. Используя построенный граф состояний, можно формализовать каждый из возможных случаев движения АСТС: различное сочетание дорожных условий, рассогласований и тому подобное. В результате граф получится ориентированным и размеченным. Результаты анализа представлены в табл. 2.1.

2.2.6. Оценка величины упругого момента в замкнутом контуре «трансмиссия – движитель – опорная поверхность»

Движение АСТС сопровождается кинематическим рассогласованием. Кинематическое рассогласование должно компенсироваться за счет упругости замкнутого контура либо за счет скольжения движителей. И в том и в другом случае в замкнутом контуре возникает упругий момент, который, независимо от режима движения, определяется как разность крутящих моментов на движителях контура.

В [31] предложены два признака, являющиеся критериями для оценки существующей в замкнутом контуре циркуляции мощности (наличия упругого момента).

Первый признак, достаточный для всех режимов движения (кроме ведомого) – коэффициент распределения полного крутящего момента – должен быть величиной отрицательной, то есть

   

где

– коэффициент распределения крутящего момента;

– крутящий момент на i-м ведущем колесе в режиме буксования;

– полный крутящий момент на движителе (сумма моментов на ведущих колесах с учетом их алгебраических знаков);

 – обобщенный коэффициент тангенциальной эластичности движителя (при полностью блокированном приводе);

– тангенциальная эластичность i-го колеса.

Второй признак циркуляции мощности является необходимым и достаточным для режима буксирования транспортного средства. В этом случае передача частью колес положительного крутящего момента свидетельствует о наличии отрицательных крутящих моментов на остальных колесах:

 

Таким образом, разность крутящих моментов между приведенными колесами первой и второй секций или упругий момент в замкнутом контуре определяется выражением

 

В [4] показана аналитическая зависимость, проверенная экспериментально, для определения ΔM, учитывающая разную тангенциальную эластичность движителей контура, что имеет место при эксплуатации ААП:

                                                                       (2.6)

где

r2 – радиус качения колес П, м;

- тангенциальная эластичность колес Т, мм/Нм;

– коэффициент отношения тангенциальных эластичностей Т и П;

- тангенциальная эластичность колес П, мм/Нм;

Ма – суммарный момент, подведенный к движителю АСТС, Нм.

При одинаковой тангенциальной эластичности колес Т и П

                                                                                            

Из (2.6) и (2.7) видно, что на величину упругого момента в замкнутом контуре влияют кинематическое рассогласование, тангенциальная эластичность движителя и величина подводимого к движителю крутящего момента.

По уравнениям (2.6) и (2.7) определяется, какую величину крутящих моментов необходимо подводить к колесам Т и П при разных значениях тангенциальной эластичности λ:

 

                                                                  (2.8)

где

М1 – крутящий момент на колесах Т, кНм;

М2 – крутящий момент на колесах П, кНм.

Дифференциальный привод движителей Т и П исключает кинематическое рассогласование между секциями АСТС, то есть ξ = 0. В этом случае распределение крутящих моментов должно быть следующее:

 

                                                                                   

Отношение крутящих моментов Т и П

                                                                                                (2.9)        

В случае, когда тангенциальная эластичность колес Т будет выше, чем у П, или когда колеса Т вращаются с положительным скольжением (буксованием), а в замкнутом контуре будет отсутствовать кинематическое рассогласование, - крутящий момент на колесах Т будет ниже, чем на колесах П. Таким образом, Т будет не в полной мере использовать сцепные возможности. Для выравнивания моментов по звеньям АСТС необходимо вводить отрицательное рассогласование в привод движителей П, то есть ξ<0, характеризуемое забеганием колес П по отношению к колесам Т.

Определить, когда замкнутый контур работает без циркуляции, можно по выражению [44]

                                                                                       (2.10)

Следовательно, анализ привода колес П по зависимостям (2.6) – (2.10) позволяет выбирать рациональное распределение крутящих моментов между звеньями АСТС в зависимости от кинематического рассогласования и тангенциальной эластичности движителей с учетом минимизации величины упругого момента в замкнутом контуре.

Выражение величины упругого момента в замкнутом контуре через коэффициент кинематического рассогласования и радиус качения колес П (2.6) позволяет использовать его в общей математической модели движения АСТС для оценки нагруженности привода колес второй секции.

2.3. Теория движения прицепной гусеничной сочлененной транспортной системы

2.3.1. Требования  и  ограничения  при создании математической модели

Требования к математической модели движения АСТС по недеформируемому основанию определяются совокупностью задач, связанных с исследованием криволинейного движения АСТС, при решении которых должна быть получена необходимая информация для создания и совершенствования АСТС или ее узлов.

Требования к моделированию:

  •  моделирование движения АСТС должно производиться по трем угловым и трем линейным координатам для каждой секции;
  •  в модели должно быть учтено влияние характеристик ходовой части АСТС на параметры криволинейного движения;
  •  модель должна быть универсальной по типу узла сочленения (УС) и комплектности АСТС.

При моделировании используются следующие допущения:

  •  АСТС движется по ровной недеформируемой поверхности;
  •  вертикальная реакция основания сосредоточена под катками;
  •  коэффициент сопротивления движению, а также максимальные значения коэффициента взаимодействия постоянны в процессе всего движения АСТС;
  •  гусеница представлена в виде невесомой нерастяжимой ленты;
  •  нутация и крен корпуса секций АСТС малы по сравнению с прецессией.

  1.   Узлы сочленения  активной  сочленённой  транспортной  системы           

Одним из важных элементов АСТС является  узел сочленения (УС). В моделях, рассмотренных в [23, 29], взаимодействие между секциями описано кинематически и УС представляется абсолютно жестким. При таком способе описания УС не представляется возможным получение результатов, связанных с нагруженностью и долговечностью УС, без дополнительных математических выкладок. Попытки создать модель с кинематическим описанием  приводит к тому, что при скоростях движения свыше 3,6 км/ч решение становится неустойчивым. Недостатком таких моделей  является также и то, что решается узкоспецифическая задача для одного вида шарнира. Изменение конструкции шарнира приводит к изменению всей математической модели. Такой подход исключает возможность моделировать многокомплектные АСТС, поскольку это ведет к изменению всей математической модели.

При соединении двух элементарных кинематических звеньев, соединяющих секции АСТС, в точке сцепки возникают силы взаимодействия, являющиеся реакциями связи, величина и направление действия которых зависят от типа связи, вида звеньев (активна первая секция и пассивна вторая, обе секции активны) и режима движения АСТС.

Характер динамического взаимодействия звеньев АСТС зависит от характеристики упругого элемента и упругой характеристики сцепного устройства.  

В связи с этим будет рассматриваться силовое взаимодействие между секциями. Такой подход позволяет решать более широкий круг задач, связанный как с движением АСТС, так и с нагруженностью самого УС.

На основании анализа известных УС АСТС можно сделать вывод о возможности их классификации как по наличию (или отсутствию) в них угловых степеней свободы, так и по наличию (или отсутствию) в них управляющего воздействия.

Известно, что УС позволяет только угловые перемещения (три степени свободы) и запрещает линейные (за исключением активного узла сочленения АСТС). Конструктивно УС с тремя степенями свободы (горизонтальной, продольно-вертикальной и поперечно-вертикальной) может иметь АСТС с неуправляемым прицепом. В остальных случаях у АСТС в горизонтальной плоскости наложена связь в виде гидроцилиндров управления, сила в которых изменяется в соответствии с управлением АСТС.

Исходя из вышесказанного, в дальнейшем будем рассматривать АСТС с УС,  конструктивно выполненным управляемым, с тремя степенями свободы.  Подобная схема АСТС является наиболее общей, из которой можно получить любые другие схемы УС для АСТС.

Переход от кинематического взаимодействия между секциями АСТС к силовому происходит следующим образом:

  •  условно разделяем АСТС в УС на две секции;
  •  заменяем отброшенную секцию соответствующими силами и моментами;
  •  моделируем движение каждой секции АСТС по отдельности с учетом сил и моментов в УС. Возникающие в УС силы и моменты пропорциональны взаимному положению секций с учетом закона управления складывания секций. При этом проекции реакций связи одного и того же УС для разных секций будут равны по модулю и противоположны по направлению. В общем случае взаимодействие между секциями заменяется равнодействующей силой и равнодействующим моментом, спроецированными на соответствующие оси координат.

Такой подход позволяет:

- использовать для АСТС все наработки, связанные с исследованием криволинейного движения одиночной гусеничной машины;

- получить универсальную модель для исследования N-секционной АСТС;

- математически описать универсальный УС, подходящий для любой АСТС;

- в рамках объектно-ориентированного моделирования существенно упростить представление динамики движения и уменьшить число операторов в программе.

В этом случае расчетная схема примет вид, показанный на рис. 2.9.

Рис. 2.9.  Расчетная схема криволинейного движения АСТС

2.3.3.  Математическая    модель    криволинейного    движения   

активной  сочленённой  транспортной  системы

Рассмотрим движение каждой секции как свободное движение твердого тела (см. рис. 2.9). Перемещение рассматривается относительно неподвижной системы координат (НСК) О1X1Y1Z1, связанной с землей. В ней моделируются внешние условия движения СТС, а точка О1 является точкой начала отсчета траектории движения. В качестве полюса выберем точку О, которая является центром масс (ЦМ) тела и проведем через нее оси двух прямоугольных систем координат – OXYZ и OXYZ. Подвижная система координат (ПСК) OXYZ жестко связана с твердым телом. Оси X, Y, Z проходят через ЦМ, совпадают с осями симметрии и являются главными осями. Оси OXYZ при движении тела будут перемещаться вместе с полюсом поступательно. Положение тела в системе отсчета О1X1Y1Z1 будет известно, если будут известны координаты полюса, т.е. ЦМ и положение тела по отношению к осям OXYZ, определяемое углами Крылова , , (рис. 2.10).

Следовательно, уравнения движения свободного твердого тела, позволяющие найти его положение по отношению к системе отсчета О1X1Y1Z1 в любой момент времени, имеют вид

                                              (2.11)

Для описания движения полюса воспользуемся теоремой об изменении количества движения системы.

                                                            

Запишем теорему в проекциях на ПСК.

                   ,                               (2.12)

где i, j, k – единичные орт – векторы ПСК;

vO – скорость полюса O (ЦМ).

Продифференцируем уравнение (2.12):

(2.13)

где

Тогда уравнение (2.12) примет вид

.

Поскольку

,

то движение полюса, в качестве которого взят ЦМ, будет описываться следующими уравнениями:

                                                  

Составим дифференциальные уравнения движения тела во вращательном движении вокруг центра масс, используя теорему об изменении кинетического момента системы. Поскольку оси ПСК являются главными, то уравнения принимают вид динамических уравнений Эйлера:

                                                       

Для нахождения закона вращательного движения тела, т.е. для нахождения углов Крылова , , как функций времени, необходимо присоединить к системе кинематические уравнения Эйлера:

                                               (2.14)

Тогда система дифференциальных уравнений в проекции на ПСК, описывающая движение секции, будет иметь вид

где

Pfij – сила сопротивления движению i-го колеса j-й секции;

– сила взаимодействия между опорной поверхностью и i-м колесом   j-й секции;

Nij – нормальная реакция опорной поверхности под i-м колесом j-й секции;

R – равнодействующая сил в узле сочленения.

Для того чтобы найти уравнения движения свободного твердого тела, позволяющие определить его положение по отношению к неподвижной системе координат О1X1Y1Z1 в любой момент времени, необходимо ввести уравнения перехода из ПСК (ОXYZ) в НСК (О1X1Y1Z1). Этими уравнениями являются элементы матрицы направляющих косинусов, которая получена путем последовательного поворота ПСК относительно НСК на углы , , соответственно.

                                                     

где

– координаты вектора в НСК;

– координаты вектора в ПСК;

– матрица направляющих косинусов.

Уравнения направляющих косинусов имеют вид

                                                  

Переход из НСК в ПСК осуществляется следующим образом:

        

Рассмотрим силы и моменты, действующие в узле сочленения АСТС.

Силы и моменты, действующие в УС в НСК

Силы и моменты, действующие в УС в НСК, определяются в соответствии со схемой (рис. 2.11).

,

где  FX, FY, FZ – проекции на оси НСК O2X2Y2 сил действующих в УС;

X, Y, Z – расстояние между осями шарниров в проекции на соответствующие оси НСК;

,  , – проекции на оси НСК углов рассогласования секций в УС;

M(i) – функция, соответствующая характеристике рассогласования УС.

Рис. 2.11. Схема для определения сил и моментов в УС

На рис. 2.12 представлена зависимость момента, действующего на секции АСТС при складывании от угла взаимного положения секций. Вертикальные прямые на графиках определяются упорами, ограничивающими максимальный угол складывания АСТС в горизонтальной плоскости.

                                 а                                                              б

Рис. 2.12.  Характеристика силовых связей между секциями АСТС:

М – момент действующий в УС;  – угол взаимного положения секций;

– угол определяющий угловую жесткость шарнира;

а – принудительное управление (угловое перемещение секций ограниченно);

б – взаимное перемещение секций ограничено упорами

Значения X, Y, Z и ,  , определяются по следующим зависимостям:

где xSK, ySK, zSK – координаты центра шарнира «k»-й секции в проекции на соответствующие оси НСК;

K,K,K  – углы крена (чистого вращения), нутации и прецессии k-й секции в проекциях на соответствующие оси НСК;

УПР(t) – заданная функция управления углом слома секций.

В дальнейшем для обозначения в уравнениях параметров, относящихся к ПСК, отметим их штрихом.

Уравнения, описывающие положение центра узла «k»-й секции в НСК (используя уравнения перехода из ПСК в НСК и уравнения направляющих косинусов), имеет следующий вид:

где  xS, yS, zS – координаты центра узла сочленения «k»-й секции в НСК;

xО, yО, zО – координаты центра масс «k»-й секции в НСК;

xS, yS, zS – координаты центра УС «k»-й секции в ПСК.

Силы и моменты в УС в ПСК

Используя уравнения перехода из ПСК в НСК и уравнения направляющих косинусов, получим следующие зависимости:

.

Сила сопротивления движению в ПСК

Сила сопротивления прямолинейному движению действует в направлении оси ОX ПСК, но лежит в плоскости X2O2Y2 НСК. Следовательно:

В НСК сила сопротивления движению определяется как

Моменты сил сопротивления прямолинейному движению в ПСК:

Сила взаимодействия между опорным основанием и катками

Данная сила определяется в соответствии со схемой, представленной на рис. 2.13, и принятыми допущениями.

Вектор скорости VСКij лежит в плоскости OXY  НСК.

Тогда:

где – вектор переносной скорости, находящийся вместе с корпусом секции в плоскости OXY  НСК;

– вектор относительной скорости (скорость перематывания гусеницы относительно корпуса), находящийся в плоскости OXY  НСК.

Переносную скорость определим как

Относительная скорость находится в плоскости O2X2Y2 НСК и параллельна оси ОX  ПСК.

Тогда в НСК:

где ВК – угловая скорость ведущего колеса,

RВК – радиус ведущего колеса.

Скорость скольжения определяется следующим образом:


      В ПСК скорость скольжения под
ij-м катком направлена под углом к оси OX (рис. 2.13).

В НСК скорость скольжения под ij-м катком направлена под углом к оси O2X2, тогда = -  (рис. 2.14).

В соответствии со схемой получим

В НСК силы взаимодействия определяется следующим образом:

Рис. 2.13. Скорость скольжения ij-го катка в ПСК

Рис. 2.14. Схема для определения углов скорости скольжения

В ПСК те же силы:

Моменты от сил взаимодействия определяются по расчетной схеме, представленной ниже (рис. 2.15):

где   xij, yij, zij – координаты точки контакта ij-го катка с опорной поверхностью в ПСК (xij – известная величина, равная xкорij, yij=B/2).

Рис. 2.15. Схема для определения моментов от сил взаимодействия:

tкорij – точка крепления подвески катка к корпусу

с координатами xкорij, yкорij, zкорij.,

где - zC - координата центра масс в НСК

Силы реакции под катками

Примем, что сила реакции под катком равна силе в шине соответствующего катка, то есть Nij=Pшинij  [27].

Дифференциальные уравнения движения корпуса и катков получены с использованием принципа Даламбера [21].

Вертикальное ускорение оси ij-го катка:

где в соответствии с обозначениями (рис. 2.14 и рис. 2.15)

Pшij – усилие в шине ij-го катка;

Pподвij – усилие в подвеске ij-го катка;

PГj – сила натяжения j-й гусеницы;

1ij, 2ij – углы наклона ветвей j-й гусеницы справа и слева от катка;

mкij – масса деталей подвески, приведенная к оси ij-го катка;

g – ускорение свободного падения.

Рис. 2.16. Расчетная схема для определения сил нормальных реакций

Если сумма синусов углов (sin1ij sin2ji) меньше нуля, что соответствует случаю, когда гусеница не охватывает каток, сила со стороны гусеницы на него не действует, то принимаем (sin1ij sin2ij) = 0.

Сила в подвеске опорного катка равна сумме сил в упругом Pyij и демпфирующем Pдij элементе (рис. 2.17):

PПОДВij = PУij + PДij,

которые определяются в соответствии с характеристиками элементов системы подрессоривания по относительному ходу и относительной скорости катка и корпуса:

PУij = PУ(fij),

PДij = PД().

Относительные ход и скорость хода катка определяются по формулам

fij = -zC +  xKij + zij - hKij; ,

где

hKij — расстояние от центра масс до оси катка при нулевом ходе.

  

Рис. 2.17. Расчетная схема узла подвески ГМ

Наличие в подвеске машины ограничителей хода (отбойников) учитывается введением на конечных участках упругой характеристики участков повышенной жесткости (в 1001000 раз превышающих жесткость упругого элемента), что обеспечивает резкое изменение усилий в упругом элементе при    значениях   хода  меньше  нуля  или  больше  полного  хода  катка  (рис. 2.18, а).

                               а                                                                         б

Рис. 2.18.  Характеристики элементов подвески:

а – упругого элемента; б – демпфера

Сила в демпфирующем элементе вычисляется, в зависимости от знака скорости хода, по характеристике прямого или обратного хода (рис. 2.18, б).

Силы в шинах Pшij опорных катков определяются по величине и скорости деформации бандажа катка и включают в себя упругую Pшуij и демпфирующую Pшдij, составляющие

PШij = PШУij + PШДij,

PШУij = PУ(RKij),

PШДij = PД(),

где  RKij — деформация шины ij-го катка, которая определяется по формуле

RKij = RK0 - zij + zгр(x),

;

zгр(x) – координата грунта под опорным катком.

Сила в гусенице определяется по относительной деформации гусеницы Гj, которая рассчитывается исходя из свободной длины гусеницы lГ0j и длины гусеницы в деформированном состоянии lГj , вычисленной по координатам катков, корпуса и грунта:

Г = (lГjlГ0j)/l Г0j.

Если деформация гусеницы в процессе моделирования стала отрицательной (провисание гусеницы), то сила в гусенице принимается равной нулю.

При отрыве катка от грунта полагаем, что за пренебрежимо малое время радиус катка становится равным свободному радиусу катка:

Rкij = Rк0 ,

а упругая сила и сила внутреннего трения в шине приравниваются нулю:

Pшуij = 0 ,

Pшдij = 0.

Моменты от сил нормальных реакций

Моменты от сил нормальных реакций под катками определяются в соответствии со схемой, представленной на рис. 2.19, и определяются по следующим формулам:

Рис. 2.19. Схема для определения моментов от сил нормальных реакций

  1.  Влияние типа привода на радиус поворота активной

сочленённой транспортной системы

При расчетах рассматривалась реакция машины на управляющее воздействие при следующих вариантах трансмиссии СГМ:

  1.  полностью дифференциальная трансмиссия с тремя симметричными дифференциалами;
  2.  с блокированным межсекционным дифференциалом;
  3.  полностью блокированная трансмиссия.

В случае полностью дифференциальной трансмиссии (рис. 2.20, а) эти уравнения примут вид

                           (2.15)

Во втором случае (рис. 2.20, б):

                                      (2.16)

Если трансмиссия полностью блокированная (рис. 2.20, в):

                                                      (2.17)

Величины моментов на ведущем колесе на каждом шаге моделирования определяются выражениями

     

      

                  а                             б                  в

Рис. 2.20. Схемы трансмиссий АСТС

Приведем результаты расчетов криволинейного движения АСТС на базе самоходного артиллерийского орудия «МСТА-С» в комплекте с машиной заряжания на той же базе.

Характеристика грунта – жесткий, 0,4; f = 0,03.

Масса каждого звена составляет 4х104 кг, момент инерции каждого звена 4,8х105 Нм, число катков по борту первого звена – 6, второго – 6, база первого звена – 4,915 м, база второго звена – 4,915 м. Колея звеньев одинакова и составляет 3,25 м. Нормальные реакции грунта под катками одного звена равны между собой. До начала поворота машина движется равномерно  со скоростью 15 км/ч. В повороте частота вращения выходного вала двигателя поддерживается постоянной, соответствующей заданной при прямолинейном  движении.   Значение моментов инерции элементов трансмиссии составляет Iij = 120 кгм2. Валы трансмиссии абсолютно жесткие. Закон управления  (t) представлен на рис. 2.21.

Результаты расчетов представлены в табл. 2.2.

Рис. 2.21. Закон управления поворотом АСТС

Таблица 2.2

Значения параметров, полученные в результате расчетов

Параметры

Схема  трансмиссии

полностью дифференциальная

межбортовой дифференциал

полностью блокированная

Момент в шарнире, Нм

        - 14900

- 41100

8600

Момент двигателя, Нм

24480

19500

21200

Угол поворота, радиан

16,03

13,31

12,24

Радиус поворота, м

первого звена

7,19

8,92

9,50

второго звена

9,36

10,22

11,65

Моменты на ведущих колесах, Нм

1.1

6120

11318

13024

1.2

6120

11318

6660

2.1

6120

0

11217

2.2

6120

0

- 9705

Таким образом, наилучшим вариантом при криволинейном движении является АСТС с полностью дифференциальной трансмиссией как с точки зрения получения максимальной кривизны траектории, так и нагруженности элементов трансмиссии.

Для моделирования внештатной ситуации (например,  потеря гусеницы) необходимо задать  MВКjk = 0 (в зависимости от типа трансмиссии) и принять значение относительной скорости перематывания гусеницы VОТ к проекции переносной    скорости    на   продольную  ось  VперX   с   обратным  знаком  VОТ = - VперX.

Полученная система дифференциальных уравнений в сочетании с уравнениями, описывающими тип трансмиссии, и уравнения моментов на ведущем колесе в совокупности с численным методом являются составными частями разработанной математической модели криволинейного движения АСТС, которая позволяет с использованием ЭВМ в рамках имитационного моделирования теоретически исследовать поведение АСТС как механической системы.

  1.  Выбор рациональной величины крутящего момента, реализуемого на движителе сочленённой

транспортной системы.

Стохастическая оценка проходимости

В качестве критерия оценки опорно-сцепной возможности движения транспортного средства в конкретных дорожных условиях используется неравенство

                                               Р   Рк  Р ,                                               (2.18)

где Р – суммарная сила сопротивления движению АСТС;

Р – суммарная сила сцепления колес АСТС с опорной поверхностью;

Рксумма элементарных касательных реакций в зоне контакта ведущих колес с опорной поверхностью.

Несоблюдение (2.18) ведет к потере проходимости или из-за низких сцепных возможностей движителя с опорной поверхностью, или из-за недостатка тяговых возможностей транспортного средства. При предварительном тяговом расчете считается, что если величина тяговой силы лежит в интервале, ограниченном, с одной стороны, максимальной силой сопротивления движению, а с другой стороны – силой сцепления движителя с опорной поверхностью, то в данных дорожных условиях транспортному средству обеспечивается проходимость.  Эти соображения положены в основу детерминированного подхода к выбору величины крутящего момента, подводимого к движителю П, изложенному автором в [10].

Такой подход не учитывает стохастический характер изменения коэффициентов    и  .

В [8, 33, 35] показано, что коэффициент суммарного сопротивления движению и коэффициент сцепления движителя с грунтом носят не детерминированный, а стохастический характер. На основании обработки статистического материала получены законы распределения случайных значений коэффициентов суммарного сопротивления и сцепления:

-   подчиняется нормальному закону распределения;

-   подчиняется двупараметрическому закону распределения Вейбулла при отрицательном коэффициенте асимметрии и параметре формы больше четырёх или усеченному нормальному распределению. Таким образом, возможна ситуация, когда в силу существования разброса случайных значений коэффициентов сцепления и сопротивления значение силы тяги движителей будет находиться  вне диапазона, определяемого неравенством (2.18).

Функция плотности распределения для коэффициента   :

,

     где  – случайное (вероятное) значение коэффициента сопротивления движению;

              тматематическое ожидание величины   ;

              среднее квадратическое отклонение коэффициента  .

,

,

где   т i математическое ожидание величины    для  i-х дорожных условий;

        рi  – вероятность  i-х дорожных условий.

Эти величины получают при обработке значительных массивов экспериментальной информации. Для конкретного i-го вида дорожных условий (при непрерывной записи сопротивления качению) определяется

,

где   L  – протяжённость участка записи значений   ;

       x  – текущее значение протяжённости участка.

При дискретной записи  величины коэффициента суммарного сопротивления движению :

,

    где  i j  –  j-е значение величины   i , измеренной на одном из типичных   k  участков.

 Для оценки надежности АТС при испытании обычно принимают следующие значения пробегов в различных дорожных условиях (для полноприводных автомобилей в %):

    - усовершенствованные дороги – 20;

    - булыжные, гравийные, щебёночные  – 30;

    - грунтовые в удовлетворительном состоянии – 30;

    - разбитые грунтовые – 10;

    - грунтовые в распутицу, бездорожье – 10.

    Соответственно:

Р1 = 0,2; Р2  = 0,3; Р3  = 0,3; Р4 =0,1; Р5 = 0,1.

Вместо функции плотности распределения  f ()  на практике используют функцию вероятности распределения   р (), которая определяет вероятность появления на участке дороги определенного сопротивления движению.

Для какого-либо интервала значений  1  и   2 :

.

Вид этой функции точно такой же, как и для   f (), только она даётся в долях (или процентах) текущего значения коэффициента    от общей   вероятности   всех   значений  ,  которая  равна единице (или 100 %). Из графика этой функции определяются параметры распределения  и  относительные  различные  значения коэффициента  .

Выполняется правило трех сигм:

т =        68,26 %;

т =  2     95,45 %;

т =  3     99,73 %.

Значения  математического ожидания и среднего квадратического отклонения  коэффициента суммарного сопротивления движению для различных дорожных условий приведены в табл. 2.3.

Изменения коэффициента    более широки, чем    (рис. 2.22), и не подчиняются нормальному распределению (так как существует воздействие климатических факторов и осадков). Коэффициент  , как указывалось ранее, подчиняется двупараметическому распределению Вейбулла при отрицательном коэффициенте асимметрии или значениях параметра формы больше 4:

,

где  т > 0  – параметр формы;   

t0 > 0 – параметр масштаба.

Условие движения можно записать иначе:

 < D <  .

                                            Таблица  2.3

Характеристики плотности распределения

Дорожные условия

т

С твёрдым покрытием

0.022

0.012

Булыжные, гравийные, щебёночные