Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ ОТВАЛА СНЕГОУБОРОЧНОЙ ТЕХНИКИ

Кошелев Ю.В. 1 Согин А.В. 1 Соколов Д.А. 1 Шаров Д.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
В статье рассматриваются вопросы определения величины силы сопротивления перемещению снегоуборочной техники, оснащённой плужными рабочими органами. Авторами описывается процесс изменения силы трения при перемещении отвала по неровной поверхности. Полученные зависимости между величиной колебания рабочего органа и силой трения, действующей на нижней грани отвала, позволяют оценить как затраты на перемещение снега с поверхности дороги, так и максимальную высоту оставшегося снега или его общий объём, оставшийся неубранным на дороге. В данной работе представлена методика экспериментального определения как суммарной величины силы трения, действующей на нижней кромке отвала, так и таких показателей, как её амплитуда, частота изменения и период действия. Впервые получены экспериментальные зависимости данного параметра для различных конструкций подвески рабочих органов. Приведён расчёт, по результатам которого определены условия определения основных параметров изменения силы трения.
плужный снегоочиститель
сила сопротивления движению
величина колебаний
экспериментальные исследования
1. Беляков В.В. Взаимодействие со снежным покровом эластичных движителей специальных транспортных средств: дис. ... д-ра тех. наук: 05.05.03. – Нижний Новгород 1999. – 485 с.
2. Беляков В.В. Оценка эффективности специальных транспортных средств при движении по снегу / В.В. Беляков, Д.А. Галкин, А.С. Зайцев, Д.В. Зезюлин, Е.М. Кудряшов, В.С. Макаров // Труды НГТУ им. Р.Е.Алексеева. – 2012. – № 2 (95). – С. 156–166.
3. Вездеходные транспортно-технологические машины. Основы теории движения. Научно-техническое издание: монография) / под. общ. ред. В.В. Белякова и А.П. Куляшова. – Н. Новгород: ТАЛАМ, 2004. – 961 с.
4. Вахидов У.Ш. Подвеска рабочего органа снегоуборочной машины. Методика выбора рациональных параметров / У.Ш. Вахидов, Ю.В. Кошелев, Ю.И. Молев, В.А. Шапкин // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1; URL: www.science-education.ru/115-12152.
5. Желукевич Р.Б. Машины и агрегаты для содержания аэродромов: учеб. пособие / Р.Б. Желукевич, В.Н. Подвезенный. – Красноярск: ИПЦ КТУ, 2003. – 294 с.
6. Зезюлин Д.В. Влияние параметров движителей на показатели эффективности колесных машин при движении по снегу / Д.В. Зезюлин, У.Ш. Вахидов, В.С. Макаров, В.В. Беляков // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5; URL: www.science-education.ru/105-6927.
7. Зезюлин Д.В. Разработка методики выбора конструкционных параметров движителей, обеспечивающих эффективность движения колесных машин по снегу: дис. … канд. техн. наук: 05.05.03. – Н. Новгород, 2013. –218 с.
8. Куляшов А.П. Зимнее содержание дорог: учебное пособие / А.П. Куляшов, Ю.И. Молев, В.А. Шапкин. – Нижний Новгород: НГТУ, 2007. – 353 с.
9. Куляшов А.П. Пути повышения степени очистки снежных накатов на поверхности дорог/ А.П. Куляшов, А.О. Маликов, Ю.И. Молев, А.М. Соколов // Строительные и дорожные машины. – 2007. – № 3. – С. 44–46.
10. Макаров В.С. Методика расчета и оценка проходимости колесных машин при криволинейном движении по снегу: дис. … канд. техн. наук: 05.05.03. – Н. Новгород, 2009. –161 с.
11. Макаров В.С. Многоуровневая модель снега как полотна пути для транспортно-технологических машин на примере территории Российской Федерации / В.С. Макаров, Д.В. Зезюлин, В.В. Беляков // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10 – С. 270–276.
12. Макаров В.С. Статистический анализ характеристик снежного покрова / Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 1; URL: http://www.science-education.ru/107-8289.
13. Макаров В.С. Оценка эффективности движения колесных машин на основании статистических характеристик снежного покрова / В.С. Макаров, Д.В. Зезюлин, К.О. Гончаров, А.В. Федоренко, В.В. Беляков // Труды НГТУ им. Р.Е.Алексеева. – 2013. – № 1 – С. 150–157.
14. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин / В.И. Баловнев [и др.]. – М.: Высш. шк., 1981. – 335 с..
15. Суворов Ю.Б. Судебная дорожно-транспортная экспертиза: учебное пособие. – М.: Экзамен, 2003. – 208 с.

Проблема зимнего содержания автомобильных дорог на территории российской Федерации является весьма актуальной, так как 80 % из них расположено в зонах [11–13], где длительность зимнего периода превышает 140 дней в году [5, 8]. К основным факторам, влияющим на условия движения автомобилей в зимний период года, относятся: наличие снежных накатов и льда, приводящих к резкому снижению сцепления колеса с дорогой, увеличение сопротивления качения (при движении по накатам и свежевыпавшему снегу), ухудшение ровности опорной поверхности, изменение ширины проезжей части и обочин [15]. В результате в зимний период снижаются скорости автомобилей, что приводит к увеличению выброса вредных веществ на километр пробега, увеличение плотности движения автомобилей и относительному росту количества ДТП.

Главная задача зимнего содержания – обеспечить максимально возможную величину сцепных качеств дороги и минимальное сопротивление качению путем предотвращения образования снежных отложений и ликвидации зимней скользкости на дороге.

Для уборки снега с поверхности дороги в зависимости от толщины и состояния слоя снега (рыхлый, свежевыпавший, мало- и среднеуплотненный, сильноуплотненный – слежавшийся и обледеневший) применяются рабочие органы различного типа и размера.

Одним из путей повышения качества и эффективности очистки является выбор рациональных параметров подвески плужного рабочего органа [4]. Так как каждый тип подвески характеризуется своей величиной силы трения нижней кромки поверхности отвала по очищаемой поверхности, которая в свою очередь является определяющей в силе сопротивления движения машины [1–3, 10] (объём удаляемого снега и скорость его уборки, также влияющие на энергоёмкость удаления снега, определяются технологическими, а не конструктивными требованиями к процессу снегоочистки), то для определения рациональных параметров подвески наиболее информативно будет сравнение именно зависимостей относительного объёма удаляемого снега от величины силы трения. Теоретические зависимости, определяющие данную величину, были приведены в работах [9 и 14]. Экспериментальных исследований данного параметра до настоящего времени не проводилось.

Наиболее простым способом найти усилие, действующее на отвал (без учёта силы перемещения снега), является определение разницы между силой сопротивления движению при движении машины с поднятым и опущенным отвалом по очищаемой поверхности. Данная работа была выполнена с использованием комплекса измерительной аппаратуры RACELOGIC VBOX. В общем виде результаты работы могут быть проиллюстрированы полученными зависимостями, показанными на рис. 1 и 2.

pic_9.tif

Рис. 1. Графические зависимости изменения скорости движения автомобиля, пройденного пути и вертикальных ускорений с поднятым снегоуборочным отвалом

pic_10.tif

Рис. 2. Графические зависимости изменения скорости движения автомобиля, пройденного пути и вертикальных ускорений с опущенным снегоуборочным отвалом

Полученные данные показывают, что со скорости 40 км/ч автомобиль с поднятым снегоуборочным отвалом останавливается за 114 секунд (среднее замедление движения составляет 0,097 м/с2), а с опущенным – 60 секунд (среднее замедление движения составляет 0,185 м/с2), то есть сила сопротивления на торце отвала создаёт дополнительное сопротивление, вызывающее ускорение величиной 0,088 м/с2, что для автомобиля ЭД 405 на базе автомобиля КамАЗ, массой 15000 кг, на которых проводились испытания, даёт среднюю силу сопротивления, равную 1322 Н (132 кг).

Следует отметить, что величина силы трения отвала по очищаемой поверхности не является постоянной величиной и зависит от суммарного усилия прижатия рабочего органа и величины его вертикальных ускорений. В общем виде эта зависимость может быть представлена в виде [5]:

koshel01.wmf (1)

где G – масса рабочего органа; F0 – усилие прижатия рабочего органа гидросистемой; φ – коэффициент трения между материалом отвала и очищаемой поверхностью; l3 – расстояние от упряжного шарнира до нижней кромки отвала по горизонтали; l4 – расстояние от упряжного шарнира до нижней кромки отвала по вертикали; l5 – расстояние от упряжного шарнира до места крепления гидроцилиндра по вертикали; β – угол установки гидроцилиндра. С учётом того, что величины колебаний отвала по своей величине значительно меньше, чем его геометрические размеры, можно принять, что величины l3, l4, l5 и β будут оставаться неизменными во время движения, то есть уравнение (1) можно записать в виде:

koshel02.wmf

где А – параметр подвески отвала. Тогда уравнение замедления движения автомобиля примет вид:

koshel03.wmf (2)

где GA – масса автомобиля; f – коэффициент сопротивления движению автомобиля. Решение данного уравнения, с учётом того, что при величине koshel04.wmf, сила трения становится не отрицательной, а равняется 0, при различных частотах и амплитуде колебаний приведены на рис. 3.

pic_11.tif

Рис. 3. Основные параметры процесса изменения замедления автомобиля по времени

Интегрирование данной зависимости с применением строгих математических методов является невозможным. Поэтому полученная зависимость изменения скорости движения коммунальной техники решалась численными методами при помощи персональных компьютеров. Изменение параметров замедления при разной частоте изменения силы трения показано на рис. 4, а при разной амплитуде – на рис. 5.

pic_12.tif

Рис. 4. Изменение скорости движения транспортного средства при воздействии на него внешней силы с разной частотой: 1 – базовая частота; 2 – удвоенная частота; 3 – удесятерённая частота

Полученные данные свидетельствуют о том, что частота воздействия силы трения на её среднюю величину влияния не оказывает, а величина амплитуды колебания силы сопротивления отвала увеличивает величину силы сопротивления прямо пропорционально своей величине. Математическое моделирование процесса движения отвала по очищаемой поверхности показывает, что кроме данных параметров, на величину изменения силы трения оказывает такой параметр, как время действия силы трения за один период колебаний. Его влияние на исследуемую величину показано на рис. 6.

pic_13.tif

Рис. 5. Изменение скорости движения транспортного средства при воздействии на него внешней силы с разной амплитудой колебаний: 1 – базовая амплитуда; 2 – удвоенная амплитуда; 3 – утроенная амплитуда; 4 – четырёхкратная амплитуда; 5 – пятикратная амплитуда; 6 – шестикратная амплитуда

pic_14.tif

Рис. 6. Изменение скорости движения транспортного средства при воздействии на него внешней силы с разным периодом действия силы трения: 1 – период действия силы трения составляет 100 % длительности цикла; 2 – период действия силы трения составляет 80 % длительности цикла; 3 – период действия силы трения составляет 60 % длительности цикла;4 – период действия силы трения составляет 40 % длительности цикла; 5 – период действия силы трения составляет 20 % длительности цикла; 6 – период действия силы трения составляет 10 % длительности цикла

Полученные данные свидетельствуют о том, что изменение данного параметра может скорректировать величину суммарной силы сопротивления движения автомобиля [6, 7] на более чем 50 % от её начальной величины, то есть методика определения сил сопротивления движению отвала снегоуборочной техники в обязательном порядке должна учитывать период действия силы трения отвала по очищаемой поверхности. Данный параметр может быть определён при помощи маркера, устанавливаемого на нижней кромке отвала и оставляющего явно видимый след на очищаемой поверхности после прохождения отвала. При испытании на сухом асфальте в качестве такого маркера применялся кусок мела, а при движении по заснеженной поверхности-валик с красной краской. Измеряя расстояние между двумя штрихами и длину каждого штриха при помощи мерной рулетки, получаем период действия силы трения. Таким образом, действующая сила трения между нижней кромкой отвала и очищаемой поверхностью может быть определена из уравнения:

koshel05.wmf

где а1 – замеренное ускорение движения автомобиля с опущенным отвалом; а2 – замеренное ускорение движения автомобиля с поднятым отвалом; GA – масса автомобиля; Т – относительный период касания отвала очищаемой поверхности. Полученная зависимость позволяет оценить величину силы трения, действующей между отвалом и очищаемой поверхностью при помощи стандартного измерительного оборудования, оценить влияние вносимых изменений в конструкцию отвала как на качество, так и на эффективность процесса снегоуборки.

Рецензенты:

Беляков В.В. д.т.н., профессор кафедры «Автомобили и тракторы», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород;

Вахидов У.Ш. д.т.н., заведующий кафедрой «Строительные и дорожные машины», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород.

Работа поступила в редакцию 02.06.2014.


Библиографическая ссылка

Кошелев Ю.В., Согин А.В., Соколов Д.А., Шаров Д.В. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ ОТВАЛА СНЕГОУБОРОЧНОЙ ТЕХНИКИ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 8-5. – С. 1048-1052;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34715 (дата обращения: 18.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074