ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОЛЕСНЫХ ТРАНСПОРТНО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
Синицын С.С., Синицына Т.С. (БГИТА, г. Брянск, РФ)
It is established, that as criteria it is necessary to use the traction -power properties, allowing to judge degree of conformity of a machine design to operation conditions.
Колесные транспортно-технологические машины выполняют заданные функции в разнообразных организационно-технологических, дорожных и почвенно-грунтовых условиях эксплуатации.
Одним из основных критериев оценки эффективности применения колесных транспортно-технологических машин являются тягово-энергетические свойства, характеризующие степень реализации их потенциальных функциональных возможностей на разнообразных опорных поверхностях, при различных скоростных и нагрузочных режимах.
Качественные и количественные показатели тягово-энергетических свойств позволяют судить о степени соответствия конструкции транспортно-технологических машин конкретным условиям эксплуатации. Причем, это можно осуществлять как на стадии проектирования, так и в производственных условиях.
Для выявления «наилучшего» технического решения необходимо выбрать критерий, на основе которого можно оценить характеристики взаимодействия элементов системы «местность-машина», объединяющей опорную поверхность и колесную транспортно-технологическую машину.
Процесс взаимодействия колёсной транспортно-технологической машины с опорной поверхностью достаточно полно характеризуется следующими показателями: касательной силой тяги Рк, зависящей от крутящего момента двигателя; силой сопротивления движению Рf, обусловленной энергозатратами на деформацию шины и опорной поверхности; силой тяги Рφ по сцеплению движителя с опорной поверхностью. Соотношение этих сил определяет возможность движения машины. Для обеспечения подвижности машины необходимым и достаточным условием является выполнение следующего соотношения:
Рf ≤ Рк ≤ Рφ.
Между тем для выявления особенностей характера движения машины, достоверного установления степени влияния различных факторов на тягово-энергетические свойства и определения потенциально возможных путей для улучшения требуется более детальный анализ их оценочных показателей, особенно с точки зрения отражения всей совокупности кинематических, силовых и энергетических сторон взаимодействия колесного движителя с опорной поверхностью.
В современной теории качения пневматического колеса [1] в качестве оценочных показателей тягово-энергетических свойств принято использовать безразмерные эквиваленты сил Рf, Рк, и Рφ, а именно: коэффициент δ буксования; коэффициент φ сцепления; коэффициент φк использования сцепного веса; коэффициент f сопротивления качению. Рассмотрим физическую сущность этих коэффициентов.
Коэффициент 
буксования характеризует
скольжение шины в пятне контакта в сторону, обратную направлению движения.
Из-за буксования уменьшается скорость машины и повышается энергоемкость качения
вследствие затрат мощности на буксование. Величину буксования принято выражать
в частях или в процентах. Таким образом, при буксовании колеса
(2)
где 
- скорость продольного
скольжения беговой дорожки колеса; 
- теоретическая окружная скорость
колеса; 
-
действительная поступательная скорость колеса.
Коэффициент 
сцепления представляет
собой отношение максимальной касательной силы тяги 
на ведущем колесе к
нормальной нагрузке 
или адекватно к нормальной
реакции 
опорной
поверхности, а коэффициент 
- отношение касательной силы 
к нормальной
реакции опорной
поверхности:
(3)
(4)
Величина коэффициента 
для
конкретной системы «колесо-дорога» в общем случае считается постоянной, а
величина является
переменной, изменяющейся в зависимости от тягового усилия от 0 до .
Сопротивление 
качению колеса
с пневматической шиной обусловлено потерями на преодоление сопротивления 
деформированию
опорной поверхности и гистерезисными потерями 
в шине вследствие ее радиальной и
тангенциальной деформаций. Поэтому коэффициент 
сопротивления качению состоит из
двух компонентов, учитывающих потери 
в опорной поверхности и 
в шине, то
есть
(5)
а его значение определяется как
отношение силы сопротивления качению к нормальной реакции опорной
поверхности:
(6)
Каждый из указанных коэффициентов отражает одну из сторон процесса взаимодействия колеса с опорной поверхностью, а именно: коэффициент буксования – кинематику процесса, коэффициент сцепления – тяговые возможности колеса, а коэффициент сопротивления – энергоемкость процесса. Однако в представленном виде они не позволяют оценивать тягово-сцепные качества комплексно с учетом взаимодействия всех основных факторов. Поэтому для обобщенной оценки тягово-энергетических свойств колесного движителя необходимо использовать комплексные показатели, учитывающие энергетические, тяговые и кинематические характеристики процесса качения колеса.
Общепризнанным комплексным
оценочным показателем тягово-энергетических свойств колесного движителя является
его КПД 
[2],
представляющий собой произведение КПД 
, учитывающего потери на качение и
КПД 
,
учитывающего потери на буксование:
(7)
Для определения через его
составляющие используется, например, следующая зависимость:
(8)
Наиболее общим оценочным
показателем экономичности процесса качения колеса является его энергоемкость
[4]. Для ведущего пневматического колеса принято определять энергоемкость суммой
потерь на качение колеса в свободном режиме 
и дополнительных потерь 
из-за
буксования [3]:
(9)
С учетом степени влияния
отдельных составляющих суммарных потерь на качение колеса в свободном режиме
при определении допустимо ограничиться двумя
основными составляющими, а именно – потерями 
на деформацию опорной поверхности
и гистерезисными 
потерями в шине.
Процесс взаимодействия полноприводного движителя с опорной поверхностью носит боле сложный характер, чем у единичного колеса, поскольку здесь сказывается взаимное влияние ведущих колес различных мостов, обусловленное налагаемыми на силовой контур кинематическими и силовыми связями.
В реальных условиях применения
транспортно-технологических полноприводных машин с колесной формулой 4К4
из-за неравномерного распределения собственной массы по осям, различия в
допусках на изготовление шин и элементов трансмиссии, а также вследствие не
идентичности у колес различных осей характеристик опорной поверхности,
эксплуатационных вертикальных нагрузок и давлений воздуха в шинах неизбежно
возникает рассогласование окружных скоростей передних (
) и задних (
) колес.
Степень рассогласования принято оценивать коэффициентом кинематического
несоответствия
(10)
где 
- теоретическая
окружная скорость забегающих колес.
При блокированном межосевом приводе рассогласование скоростей приводит к повышенному буксованию забегающих колес и неравномерному распределению крутящего момента по ведущим мостам. Поэтому для определения КПД буксования полноприводного движителя применяется более сложная зависимость [2]:
(11)
где 
, , 
и 
,,
- касательные силы
тяги, теоретические скорости и коэффициенты буксования соответственно передних
и задних колес.
Сопутствующее неравномерному
распределению крутящего момента упругое скручивание элементов силовой передачи
и движителя, а также повышенное буксование движителя приводит к дополнительным
диссипативным потерям энергии. Поэтому мощность 
сопротивления качению
полноприводного движителя отображается следующей зависимостью [3]:
(12)
где 
- потери мощности в движителе при
отсутствии взаимного влияния колес; 
, 
- дополнительные потери мощности
в движителе и на буксование, обусловленные кинематическим несоответствием.
При значительном рассогласовании скоростей возможно вращение отстающих колес с частичным юзом (тормозной режим), вследствие чего в блокированном приводе появляется паразитная мощность, снижающая тягово-сцепные свойства, проходимость, экономичность и надежность элементов трансмиссии и движителя. Естественно, таких режимов работы колесных машин следует избегать.
Литература
1. Левин М.А. Теория качения деформируемого колеса./ М.А.Левин. – М.: Наука, 1989. – 270 с.
2. Лефаров А.Х. Энергонагруженность и надежность дифференциальных механизмов транспортно-тяговых машин./ А.Х.Лефаров. – Мн.: Наука и техника, 1991.- 285 с.
3. Тарасик В.П. Проектирование колесных тягово-транспортных машин./ В.П. Тарасик. – Мн.: Вышейш. шк., 1984.- 185 с.
4. Бочаров Н.Ф. Транспортные средства на высокоэластичных движителях. Н.Ф. Бочаров. – М.: Машиностроение, 1974.- 215 с.