Минимизация изнашивания движителей колесных транспортно-технологических машин
Синицын С.С. (БГИТА, г.Брянск, РФ)
The criteria of optimum capacity controlled parameters and target functions have been substantiated. The parametric optimization of traction coupling properties to the criterion of minimum energy consumption has been made.
Повышение срока службы колесного движителя является одной из актуальнейших проблем, поскольку стоимость комплекта шин достигает 30% от стоимости колесной машины, а эксплуатационные издержки на шины достигают 15% общих затрат на эксплуатацию машин.
Одно из важнейших назначений шины – обеспечение заданных сил тяги и высокой безопасности движения, причем, основные функции шины по обеспечению передачи тяговых и тормозных сил осуществляет протектор, который в обычных камерных шинах изготавливают как одно целое с боковинами. Исходя из функционального назначения, протектор должен обеспечивать необходимый для безопасности движения коэффициент сцепления, стабильный в процессе эксплуатации. Для этого он должен обладать, с одной стороны, свойствами, которые обеспечивали бы неизменность условий его взаимодействия с дорожным покрытием, а с другой стороны, сохранять свои рабочие характеристики в течение промежутка времени, заданного техническими нормами.
Протектор пневматической шины изнашивается под действием напряжений и проскальзываний, возникающих в зоне контакта с дорогой. При возникновении скольжения в контакте рассеивается механическая энергия. Определенная часть ее идет на отрыв частичек резины от массива протектора. Скольжение и потери механической энергии, а, следовательно, и интенсивность износа очень сильно зависят как от режима качения шины, так и от свойств опорной поверхности. В зависимости от условий износ протектора может происходить по разным механизмам.
Абразивный износ происходит на шероховатых поверхностях при относительно высоком коэффициенте трения. На поверхности резины образуются царапинами в направлении скольжения.
Износ посредством скатывания возникает также при высоком коэффициенте трения, нона относительно гладких поверхностях. На поверхности резины возникают при таком износе полосы, перпендикулярные направлению скольжения.
Усталостный износ вызывается многократной деформацией резины на микро неровностях опорной поверхности, интенсивность износа намного меньше интенсивности износа по первым двум механизмам, и поверхность резины обычно остается гладкой.
Износ из-за термической деструкции возникают при высокой температуре в зоне контакта, что при высокой интенсивности скольжения может иметь место и в реальных условиях эксплуатации.
Анализ результатов эксплуатационных испытаний шин выявил, что до 90% шин выходят из строя из-за износа протектора. Причем у тракторов со всеми ведущими колесами, эксплуатируемых на супесчаных и подзолистых почвогрунтах, преобладает абразивное изнашивание протектора вследствие реализации силы тяги со значительным буксованием, величина которого для колес различных осей определяется конструктивными оформлением межосевого привода, принятым распределением массы трактира по осям и физико-механическими характеристиками опорной поверхности.
Наибольшие преимущества в отношении проходимости имеют транспортные средства при передаче крутящего момента через все движители (полноприводные). С целью повышения проходимости полноприводных колесных машин часто предусматривают блокировку межосевой кинематической связи. При блокированном приводе различие в радиусах качения эластичных колес в момент трогания вызывает перераспределение крутящих моментов по ведущим мостам и упругое скручивание валов, под которыми понимают их скручивание, вызванное отклонением величин крутящих моментов от заданных кинематической схемой привода.
Применение на машинах со всеми ведущими колесами блокированного межосевого привода предопределяет тесную связь между распределением подвесного крутящего момента по ведущим мостам и соотношением радиусов качения колес. Разница в радиусах качения колес различных осей, обусловленная неадекватностью вертикальных нагрузок, давлений воздуха в шинах и характеристик опорной поверхности является первопричиной кинематического несоотвествия, определяемого отношением разности теоретических скоростей колес двух мостов к теоретической скорости забегающего моста и приводящего к неравномерному распределению крутящего момента по ведущим мостам, в значительной степени обуславливающему интенсивность износа протектора. Это подтверждается экспериментальными данными, полученными при изучении влияния режима работы шины на износ протектора.
Сопутствующее неравномерному распределению крутящего момента упругое скручивание элементов силовой передачи и движителя приводит к дополнительным диссипативным потерям энергии, а в случае работы машины с незначительной крюковой загрузкой является причиной циркуляции в контуре "силовая передача – движитель – опорная поверхность" паразитной мощности, что вызывает значительный рост энергозатрат и, вследствие повышенного буксования забегающих колес, интенсивное изнашивание протектора пневматических шин.
В первом приближении можно принять, что износ протектора шины прямо пропорционален мощности трения NТР в контакте шины с опрной поверхностью, то есть:
, (1)
где k – коэффициент пропорциональности; Рк – касательная сила тяги; r - радиус качения колеса; ω – угловая скорость колеса; δ – коэффициент буксования.
Поскольку в блокированном силовом приводе ω1 = ω2 = … = ωi, то из зависимости (1) следует, что износ протектора колес различных осей зависит от реализуемой касательной силы тяги, радиуса качения колеса и его коэффициента буксования.
Решая систему уравнения, описывающих работу колеса в ведущем режиме
, (2)
получаем следующие выражения для определения касательной силы тяги ведущих мостов:
передний мост
(3)
задний мост
(балансирная тележка)
,
где γ1, γ2 – коэффициент тангенциальной эластичности соотвественно шин передних и задних колес; Р – суммарная сила тяги; r1,r2 – радиусы качения передних и задних колес в свободном режиме.
Для определения величины коэффициента буксования используем следующую зависимость:
, (4)
где n – эмпирический коэффициент; B и L – ширина и длина пятна контакта шины с поверхностью грунта; с0, tgφ – параметры грунта; Р – удельное давление в контакте.
Тогда уравнение (1) принимает следующий вид:
, (5)
то есть налицо квадратичная зависимость износа протектора от реализуемой силы тяги. Значит, наиболее благоприятный (по износу протектора) режим работы колес в случае двух ведущих мостов возможен лишь при Р1 = Р2. Как следует из системы (3), это в значительной степени обеспечивается равенством радиусов качения колес, то есть r1 = r2.
Как показали результаты наших исследований, наиболее эффективным способом выравнивания радиусов качения колес различных осей является регулирование давления воздуха в шинах в соответствии с нагрузочными режимами и почвенно-грунтовыми условиями.
Из условия равенства радиусов качения передних и задних колес получаем зависимости, отображающие оптимальное соотношение величин давления в шинах передних Pw1 и задних Pw2 колес машины. Так, для твердой опорной поверхности:
. (6)
Аналогично для деформируемой опорной поверхности:
. (7)
В представленных зависимостях приняты следующие обозначения:
G1, G2 – вертикальные нагрузки на соответствующие колеса;
G1, G2, μ – параметры грунта;
h1, h2 – вертикальная деформация грунта после прохода соответствующих колес.