НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 629.113

ФГБОУ ВПО Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

a.n.blokhin@gmail.com

balakhnaman@gmail.com

gvas@mail.ru

nauka@nntu.nnov.ru

Одним из наиболее тяжелых режимов работы транспортных средств является передвижение по снегу. Значительная часть территории России на длительный срок устойчиво покрывается снегом. На Европейском и Сибирском Севере снежный покров лежит 7 месяцев, а на Крайнем Севере – 8-9 месяцев. В ряде районов страны среднемноголетняя максимальная высота снега достигает 1,2 м [1]. Такая длительность, устойчивость и весьма большая высота снежного покрова являются существенной особенностью климата нашей страны и оказывает большое влияние на ее экономику и образ жизни населения.

В этих условиях движение автомобилей не только затрудняется, но зачастую и исключается совсем. Поэтому использование вездеходных машин является чаще всего единственной возможностью осуществления передвижения. Среди известных транспортных средств высокой проходимости колесные машины обладают наибольшей универсальностью и экономической эффективностью. В то же время, они недостаточно приспособлены для передвижения по снежной целине. Проведенные исследования транспортных средств на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления выявили чрезвычайно высокую проходимость, универсальность и эффективность этих машин. Поэтому, применение транспортных средств на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления является эффективным средством повышения проходимости и энергоэффективности при осуществлении транспортных операций.

Решение вопросов проходимости с научной и технической точек зрения, главным образом, лежит в области исследования взаимодействия движителя с дорожно-грунтовой поверхностью.

При функционировании системы «опорная поверхность-движитель» происходит взаимодействие движущегося транспортного средства с полотном пути. Результатом этого взаимодействия является остающаяся в грунте (снеге) после прохода машины колея (рис. 1); поэтому колею можно рассматривать в качестве физической модели процессов в системе «опорная поверхность-движитель» и энергетического показателя процесса взаимодействия пневматического колеса с полотном пути [2].

Размеры и площадь поверхности контакта должны обеспечивать передачу потока мощности от машины к опорной поверхности. Величина этого потока лимитируется с одной стороны силовым агрегатом машины, а с другой – энергоемкостью материала полотна пути. Фактическая глубина колеи определяется свойствами грунта в момент его взаимодействия с движителем. Глубина колеи возрастает до тех пор, пока грунт под движителем не уплотнится настолько, что его несущая способность окажется достаточной для восприятия передаваемых движителем нагрузок [2].

В рамках данного исследования разработана математическая модель контактного взаимодействия пневмоколесного движителя сверхнизкого давления со снежным полотном пути, реализованная в программном комплексе MATLAB.

Разработанная модель позволяет оценить характер и количественные показатели процесса взаимодействия эластичных колес транспортного средства с деформируемой опорной поверхностью в зависимости от конструктивных параметров пневмоколесного движителя, эксплуатационных факторов (внутреннего давления воздуха в шинах, вертикальной нагрузки на колесо) и физико-механических параметров снега.

В качестве зависимости деформации снега от нормальной нагрузки была выбрана формула, предложенная в НГТУ В.А. Малыгиным [3]. Данный выбор объясняется тем, что она основана на обширных экспериментальных исследованиях, которые проводились на реальном снежном покрове несколько лет подряд и в течение всего зимнего периода, а это позволило получить богатый экспериментальный материал по вертикальной деформации снега. Кроме того, она неоднократно проверена на практике. Зависимость, характеризующая взаимосвязь между давлением q и деформацией h, записывается в виде [3]:

где γ – коэффициент начальной жесткости снега, характеризующий удельное сопротивление снега сжатию, представляет собой коэффициент жесткости (Н/м³) в начальной стадии деформации; h_max – коэффициент, характеризующий величину деформации снега при давлениях, соответствующих максимальному уплотнению (м).

где H – высота снежного покрова (м); b – ширина штампа (м); n_y – коэффициент уплотняемости снега; d – эмпирический коэффициент.

Согласно экспериментальным исследованиям, проведенным В.А. Малыгиным в ОНИЛ ВМ:

где ρ₀ – начальная плотность снега; а = 0,3 г/см³.

На основании этих же экспериментальных данных зависимость d от Н хорошо согласуется с выражением вида

d = 0,0287 (100H)^3/2

Зная легко определяемые параметры (начальную плотность снега ρ₀ и его начальную жесткость γ), рассчитывается глубина погружения штампа на снежной целине заданной высоты Н в зависимости от нагрузки:

Таким образом, исходными данными модели с одной стороны являются описанные выше параметры снежного покрова, с другой – параметры распределения нормальных давлений по площади контакта колеса с опорным основанием.

Для формирования массива данных о распределении нормальных  давлений в зоне контакта шины сверхнизкого давления с опорной поверхностью были проведены экспериментальные исследования. Объектом экспериментального исследования являлся автомобиль «Викинг»-2992 (рис. 2), технические данные которого представлены в таблице.

Краткая техническая характеристика объекта испытаний

Методика проведения испытаний и структурно-функциональная схема соединения измерительно-регистрирующей аппаратуры подробно описаны в работах [4-6]. В результате проведенных испытаний получены трехмерные эпюры распределений нормальных давлений по площади контакта колес исследуемого транспортного средства с опорной поверхностью при различных внутренних давлениях воздуха в шинах (рис. 3).

Для определения начальной жесткости снега γ проводилось экспериментальное определение зависимости «нагрузка – вертикальная деформация снега» (рис. 4).

На рис. 5 показаны результаты моделирования контактного взаимодействия шины 1300х600-533 модели «Трэкол» при движении по снегу (H=0.72 м, ρ=0.30 г/см³, γ=0,0678 МПа/м) с нагрузкой 600 кг и давлении воздуха в шине 0,3 МПа. Как видно из рис. 5 максимальная глубина колеи составляет 0,26 м.

Для проверки адекватности имитационной модели проводились замеры глубины колеи, образуемой пневмоколесным движителем автомобиля «Викинг»-2992 (рис. 6). В результате экспериментальных исследований установлено, что на снегу с параметрами, соответствующими исходным данным разработанной модели, максимальная глубина колеи не превышает 0,28 м.

Таким образом, при сравнении расчетных данных с данными экспериментальных исследований (рис. 7) наблюдается удовлетворительная сходимость результатов.

Экспериментально установлено, что глубина колеи существенно зависит от давления воздуха в шине [7, 8].

Характер зависимости глубины колеи от давления воздуха в шине, представленный на рис. 8, определяется максимальным давлением колеса на опорную поверхность, которое также будет зависеть от давления воздуха в шине (рис. 9).

Глубина колеи и максимальные давления в контакте определяют сопротивление движению, связанное с деформацией снежного полотна пути  [5]:

где b – ширина колеи; q_max – максимальное давление в контакте колеса с опорной поверхностью; γ, h_max – параметры, указанные в формуле (1).

Зависимость суммарной силы сопротивления движению, основной составляющей в которой является сопротивление движению, обусловленное смятием снежного полотна пути, от давления воздуха в шине для транспортного средства «Викинг» представлено на рис. 10. При изменении давления от 0,06 МПа до 0,012 МПа сила сопротивления движению для транспортного средства «Викинг» уменьшилась в 1,69 раза.

Таким образом, в рамках данного исследования разработана модель контактного взаимодействия пневмоколесного движителя сверхнизкого давления со снежным полотном пути. Предложенная модель позволяет оценить величину силы сопротивления движению пневмоколесного движителя сверхнизкого давления по снежной целине в зависимости от внутреннего давления воздуха в шинах при заданных физико-механических параметрах снега. Произведено сравнение расчетных данных с данными экспериментальных исследований для транспортного средства «Викинг»-2992 на шинах 1300х600-533 модели «Трэкол». Установлена удовлетворительная сходимость результатов. Проведен анализ параметров взаимодействия движителя вездеходного транспортного средства с деформируемой опорной поверхностью, на основании которого можно объективно  оценивать показатели проходимости и энергоэффективности транспортных средств.

Данная научно-исследовательская работа проводилась в рамках федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Список использованных источников

1. Аникин А.А. Разработка научных методов повышения проходимости по снегу особо легких гусеничных машин. -  Дис. докт. тех. наук: 05.05.03. НГТУ, Н.Новгород, 2010. – 308 с.

2. Вездеходные транспортно-технологические машины // Под редакцией В. В. Белякова и А. П. Куляшова. – Н. Новгород.: ТАЛАМ, 2004. – 960 с.

3. Малыгин В.А. Исследование процесса деформации снега под воздействием гусеничного движителя и обоснование выбора размеров опорной поверхности гусениц снегоходных машин: Дисс. … канд. техн. наук: 05.05.03. ‑ Горький, 1971. – 155 с.

4. Беляков В.В. Распределение давлений в контакте шины с дорогой/ В.В. Беляков, А.Н. Блохин, Д.В. Зезюлин, А.А. Алипов // Вестник Ижевского государственного технического университета. – 2011. – ╧1(49). – С. 15-18.

5. Блохин А.Н.  Определение нормальных усилий в контакте шины сверхнизкого давления с опорной поверхностью / А.Н. Блохин, В.В. Беляков, Д.В. Зезюлин, А.А. Алипов // Журнал ААИ. Журнал автомобильных инженеров. – 2011. - ╧2(67) – С.30-33.

6. Алипов А.А. Экспериментальное определение распределения нормальных давлений в зоне контакта пневматической шины сверхнизкого давления с опорной поверхностью / А.А. Алипов, В.В. Беляков, А.Н. Блохин, Д.В. Зезюлин, А.М. Носков // Сборник материалов 71-й международной научно-технической конференции ААИ «Безопасность транспортных средств в эксплуатации». – Н.Новгород: НГТУ. – 2010 – С.113-116.

7. Беляков В.В. Расчет проходимости колесных машин при криволинейном движении по снегу / В.В. Беляков, А.Н. Блохин, В.С. Макаров, С.Е. Манянин // Вестник Ижевского государственного технического университета. – 2010. – ╧3(47). – С. 35-38.

8. Барахтанов Л.В., Беляков В.В., Кравец В.Н. Проходимость автомобиля. – Н. Новгород: НГТУ, 1996. – 200 с.