Концепцiя забезпечення стiйкостi положення шарнiрнозчленованих колiсних машин

Abstract

В дисертації було досліджено проблему забезпечення стійкості положення шарнірно-зчленованих колісних машин на основі комплексного аналізу статистичних даних про дорожньо-транспортні пригоди, критеріїв і методів її визначення, відомих засобів і методів контролю та забезпечення стійкості положення, а також надійності елементів системи «водій-машинадорожні умови» при експлуатації. Наукова новизна отриманих результатів полягає у розвитку методів оцінювання та забезпечення стійкості положення, що дозволило вирішити актуальну наукову проблему підвищення безпеки використання шарнірнозчленованих колісних машин у системі «водій-машина-дорожні умови». На основі проведеного аналізу вперше розроблено концепцію, що дозволяє забезпечити стійкість положення шарнірно-зчленованих колісних машин застосуванням комплексного та системного підходу до формування цієї експлуатаційної властивості на етапах проектування, виробництва та експлуатації з урахуванням існуючих та перспективного рівнів технізації. Запропоновані формулювання та параметри стійкості положення колісних машин, що дозволяють підвищити точність її оцінки. Був застосований комплексний підхід до оцінки та забезпечення статичної та динамічної стійкості положення шарнірно-зчленованих колісних 3 машин. Дістав подальший розвиток метод оцінювання статичної стійкості з урахуванням взаємного складання секцій, що дозволяє врахувати особливості зміни опорного контуру. Розроблені рекомендації у нормативні документи стосовно підвищення точності оцінювання кутів поперечної статичної стійкості для шарнірно-зчленованих машин та програмне забезпечення SPSAV (Static Position Stability of Articulated Vehicles) для експресоцінювання стійкості положення без використання високовартісних стендів. Встановлено, що врахування кутів повороту секцій шарнірно-зчленованого колісного трактора з номінальним тяговим зусиллям 30 кН у площині дороги в межах до 15° дозволяє підвищити точність оцінювання кутів статичної стійкості до 5°. Також отримана уточнена умова динамічної стійкості колісної машини з урахуванням впливу підвіски і системи «шини-ґрунт». Вона дозволяє оцінювати та прогнозувати необхідність стабілізації динамічної стійкості положення у процесі руху. На прикладі шарнірнозчленованого колісного трактора з номінальним тяговим зусиллям 30 кН встановлено, що реальна загроза його перекидання у разі прямолінійного руху існує під час наїзду на перешкоду за переміщення схилом із кутом ухилу не менше 15°. Встановлено, що блокування горизонтального шарніра може підвищити динамічну стійкість положення не менше ніж на 7%. Збільшення кутів повороту секцій шарнірно-зчленованої колісної машини в площині дороги до 15° та кута ухилу опорної поверхні до 9° комплексно впливає на динамічну стійкість секцій машини проти перекидання, знижуючи її не менше ніж на 20%. Удосконалена динамічна модель руху шарнірно-зчленованої колісної машини урахуванням взаємодії її секцій. Було проведено оцінювання впливу взаємодії секцій шарнірно-зчленованих колісних машин на стійкість їх положення, визначені відповідні параметри, та виконано математичне моделювання взаємодії секцій шарнірно-зчленованої колісної машини з пружним елементом у з’єднувальному шарнірі та без нього. Похибка у визначенні максимальних кутових швидкостей секцій у вертикальній 4 поперечній площині без пружного елемента в горизонтальному з’єднувальному шарнірі за запропонованою математичною моделлю, порівняно з експериментальними дослідженнями для шарнірно-зчленованої колісної машини з номінальним тяговим зусиллям 35 кН, склала не більше 10%. Наявність пружного елемента у горизонтальному шарнірі підвищує динамічну стійкість положення машини за рахунок зниження максимальних кутових швидкостей секцій у вертикальній поперечній площині на 15–20%. Проведений аналіз факторів, що впливають на точність оцінювання стійкості положення: частоти вільних коливань підресореної частини секції шарнірно-зчленованої машини, радіусів інерції машини та гіроскопічних моментів коліс, монтажної похибки датчиків лінійних прискорень за їхньої довільної установки. Дістав подальший розвиток метод оцінювання стійкості колісної машини за довільного установлення датчиків лінійних прискорень, отримано відповідну залежність для визначення поточних значень кутової швидкості у вертикальній поперечній площині. На її основі вперше визначено критерій динамічної стійкості положення ДС K шарнірнозчленованих колісних машин у вигляді відношення поточного значення кутової швидкості у вертикальній поперечній площині до граничного за умовою перекидання. За 1 ДС K стійкість положення забезпечується, за 1ДС K існує небезпека перекидання. Розроблено стратегію комплексного оцінювання стійкості положення колісних машин з різними типами приводу. Проведено оцінювання впливу типу приводу колісної машини на її тягове зусилля. Удосконалено метод оцінювання впливу розподілу крутного моменту двигуна за ведучими мостами на безпеку використання шарнірно-зчленованих колісних машин. Отримані аналітичні вирази для визначення коефіцієнта стійкості шарнірнозчленованого колісного трактора і тракторного поїзда під час повороту дозволяють оцінювати їхню стійкість проти заносу за різного розподілу загального крутного моменту між мостами. Для шарнірно-зчленованого 5 колісного трактора з номінальним тяговим зусиллям 35 кН і тракторного поїзда на його базі встановлено, що стійкість проти заносу може бути підвищена до 80% використанням постійного ведучого переднього мосту та заднього мосту, що підключається. Отримана графічна залежність коефіцієнта стійкості від максимального вертикального складника зусилля на гаку та коефіцієнта розподілу загального крутного моменту. Удосконалено енергетичний метод оцінювання стійкості положення шарнірно-зчленованої колісної машини у разі бічного зіткнення з перешкодою внаслідок заносу. Визначений критерій критичної швидкості, перевищення якої може призвести до бічного перекидання, з урахуванням конструктивних особливостей шарнірно-зчленованої колісної машини. Встановлено, що зміна кутів повороту секцій і висоти перешкоди мають комплексний вплив на критерій критичної швидкості. На прикладі шарнірно-зчленованої колісної машини з номінальним тяговим зусиллям 30 кН в найбільш небезпечній ситуації (складання в бік перешкоди) встановлено, що зі збільшенням кутів повороту секцій в площині дороги до 15° і збільшенням висоти перешкоди до 0,4 м критична швидкість змінюється в межах до 15%. Розроблено підхід до підвищення стійкості положення на основі оцінювання надійності системи « водій-машина-дорожні умови». Удосконалений метод оцінювання надійності кермового керування дозволив, на прикладі шарнірно-зчленованого колісного трактора з номінальним тяговим зусиллям 35 кН, встановити, що діагностичний параметр (кутові прискорення секцій під час поворотів у площині дороги) можуть зменшуватися до 15% з напрацюванням машини до 6 000 годин. Порівняння отриманих результатів для машин з істотними напрацюваннями з номінальними значеннями діагностичних параметрів, отриманими для нової машини, дозволяє оцінити технічний стан кермового керування шарнірнозчленованих колісних машин у процесі експлуатації. Удосконалено метод оцінювання надійності гальмівної системи, з використанням методу парціальних прискорень, що враховує особливості конструкції колісних 6 шарнірно-зчленованих машин. Отриманий критерій кутового прискорення в площині дороги, за величиною та знаком якого можна судити про зниження ефективності гальмівної системи. Це дозволить підвищити точність діагностування гальмівних систем шарнірно-зчленованих колісних машин. Вперше розроблено метод оцінювання надійності водія як елемента системи «водій-машина-дорожні умови» з урахуванням граничних і допустимих значень критерію динамічної стійкості положення з використанням його зонування. Зонування ДС K дозволяє визначити ступінь впливу водія на виникнення аварійних ситуацій, пов’язаних із перекиданням. Запропонований принцип взаємодії водія з мобільним реєстраційновимірювальним комплексом із розробленим програмним забезпеченням DPSAV (Dynamic Position Stability of Articulated Vehicles) з урахуванням його часу реакції на аварійну ситуацію. У відповідності до розробленої програми-методики проведені експериментальні дослідження стійкості положення шарнірно-зчленованих колісних машин за різних дорожніх умов. Вони підтвердили ефективність раніше отриманих теоретичних результатів. Експериментально встановлений вплив підвіски на стійкість положення шарнірно-зчленованих машин на прикладі колісного трактора типу Т-150К. Визначено, що середні та максимальні величини кутових швидкостей підресореної та непідресореної мас передньої секції під час руху на горизонтальних ділянках дороги з різною якістю асфальтобетонного покриття відрізнялися не більше ніж на 20%. Проведені експериментальні дослідження датчиків прискорень Freescale Semiconductor дозволили встановити залежність величини лінійного прискорення від довжини сполучних кабелів, температури навколишнього середовища та вібрації. При цьому довжина сполучних кабелів у межах до 11,5 м і низькочастотна вібрація на точність виміру датчиками прискорень істотного впливу не виявляють і при проведенні досліджень їх можна не враховувати. Встановлено основні режими роботи та отримано кількісну 7 оцінку параметрів стійкості положення шарнірно-зчленованих колісних тракторів з номінальними тяговими зусиллями 30 кН та 35 кН та тракторних поїздів на їхній базі. Найкращим чином отримані результати описує нормальний закон розподілу. Критерій динамічної стійкості досягав 0,94, що підтверджує необхідність подальшої автоматизації процесу зменшення швидкості руху, включаючи повну зупинку колісної машини. З урахуванням одержаних результатів розроблено рекомендації щодо підвищення стійкості положення на різних рівнях технізації на основі застосування пружного елементу у горизонтальному шарнірі, приладу контролю граничних кутів нахилу і бортової електронної системи з відповідним програмним забезпеченням DPSAV. Практичне значення проведених досліджень полягає у наданні вітчизняним суб’єктам господарювання нових ефективних підходів до оцінювання і підвищення стійкості положення колісних машин під час проектування, виробництва та експлуатації, у разі проведення дослідноконструкторських і науково-дослідницьких робіт: методу оцінювання стійкості положення на основі методів енергетичного балансу і парціальних прискорень; критерію стійкості шарнірно-зчленованих колісних машин проти перекидання; способів підвищення поперечної стійкості використанням бортових інформаційних систем і пружних елементів; методу проведення випробувань на динамічну стійкість проти перекидання; приладу контролю кутів нахилу машини; методів оцінювання надійності кермового керування та гальмівної системи колісної машини; пристрою для підвищення точності установки датчиків прискорень; рекомендацій щодо підвищення безпеки використання шарнірно-зчленованих колісних машин на основі вдосконалення інформування водіїв. Основний ефект від впровадження розроблених заходів дозволить виключити дорожньо-транспортні пригоди з перекиданням шарнірно-зчленованих колісних машин.