Повышение эффективности использования колёсных энергетических средств на транспортных работах в условиях Амурской области

Во введении обоснована актуальность работы, изложены степень её
разработанности, научная новизна, теоретическая и практическая значимость,представлены основные положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробация результатов исследования.
В первой главе приведены данные доказывающие, что в условиях Дальнего Востока вопрос обеспечения высокой проходимости энергетических средств и их всепогодной надёжности во всех климатических зонах и условиях эксплуатации является наиболее важным, так непредвиденная остановка или неисправное состояние автомобиля способны привести к невозвратным потерям перевозимых грузов. В Амурской области основные транспортные работы, предусмотренные применяемой технологией растениеводства, приходятся на март-май -25…30% и сентябрь-ноябрь 40…45 % и проходят в условиях слабой несущей способности
Актуальные вопросы развития науки в
мире» (Москва, 2019 г.),
Актуальные вопросы развития науки в мире» (Москва,
2020 г.), «Стратегии устойчивого развития мировой науки»(Москва, 2020 г.),
«Интеграция науки в современном мире» (Москва, 2020 г.),«Теоретические и
практические вопросы современной науки» (Москва, 2020 г.),
Наука и
современность»(Москва, 2021 г.),

почвы, в этот период автомобили общего назначения на транспортных операциях при движении по дорогам с низким коэффициентом сцепления используются малоэффективно вследствие их невысоких тягово-сцепных свойств и возникает необходимость привлечения автомобилей повышенной проходимости.
Вопросу использования колесных грузовых автомобилей на транспортных работах в различных дорожных условиях посвящены работы Н.В.Алдошина, В.А. Гобермана, А.Ю. Измайлова, С.А. Иофинова, З.Ф. Кривуцы, С.Д. Сметнева и многих других ученых.
Вопросы управляемости и устойчивости автомобилей, их торможения на платформе пространственных расчетных схем обсуждались в работах Г .М. Косолапова, А.А. Ревина, Ю.Я. Комарова, С.Н. Родионова.
В дальнейшем вопросами надежности движения мобильных машин в большом количестве занимались не только отечественные, но и зарубежные исследователи. Заметными трудами в данной сфере считаются деятельность российских ученых Е.А. Чудакова, Я.М. Певзнера, Г.В. Зимелева, А.С. Литвинова, Д.А. Антонова и зарубежных: Я. Таборека, И. Рокара, Д.Р.Эллиса.
Также существенный вклад в формирование концепции перемещения автопоездов внесли такие ученые как Я.Х. Закин, Я.Е. Фаробин, Л.В. Гячев, В.В. Осепчугов.
Проблемы стабилизации, а также управляемости автопоездов нашли отражение в работах А.И. Аксенова, А.А. Асриянца, Ю.М. Власко, А.В. Величко, и других исследователей.
Большая часть работ Д.А. Антонова, А.А. Асриянца, А.М. Горелика, Л.В. Гячева также посвящены исследованиям влияния внешних факторов на управляемость и стабильность движения.
Обзор проведённых исследований показал, что наиболее эффективным способом повышения эффективности использования колесных грузовых автомобилей на транспортных работах, является повышение их тягово-сцепных свойств и курсовой устойчивости. Это возможно за счёт корректирования величины вертикальной нагрузки и веса, приходящего на ведущие колеса, что позволило предложить конструкторское решение технической задачи с наименьшими материальными затратами и высокими режимно – эксплуатационными характеристиками.
Во второй главе на основании проведенных теоретических исследований с учётом анализа всех преимуществ и недостатков ранее рассмотренных конструкций перераспределяющих устройств для повышения продольной и поперечной устойчивости энергетического средства, как наиболее оптимальное, соответствующее всем критериям патентного поиска и решения технической задачи, принята перспективная конструкция – «Рамочный регулятор нагрузки»
(рисунок 1,2,3), на который получен патент РФ No 166665, патентообладатель— ФГБОУ ВО Дальневосточный ГАУ.
«Рамочный регулятор нагрузки» (рисунок 1) выполнен в виде конструкции 1, состоящей из двух одинаковых реактивных штанг 2 и 3 с вилочными окончаниями 4, установленных вертикально в кронштейнах 5 на верхней части чулка моста 6 транспортного средства 7 и объединённых шарнирно с узлом коромысла 8, который фиксирован силовым шарниром 9 в опорном рычаге 10, смонтированном болтовым соединением в технологических отверстиях поперечной траверсы рамы 11 колёсного транспортного средства 7.
Рисунок 1- Принципиальная схема рамочного регулятора нагрузки
Устройство работает следующим образом:
При наезде на препятствие или проваливании автомобиля в неровности грунта, мост 6 транспортного средства 7 производит вертикальное движение вниз, глубина проваливания части моста 6 ограничивается длиной паза опорного рычага 10 и отклонением узла коромысла 8, при чём противоположная вертикально смещаемой часть моста 6 в этот момент производит вертикальное движение вверх. При этом происходит перераспределение весовой нагрузки с вертикально- движущейся вниз части моста 6 через узел коромысла на опорный рычаг 10 и поперечную траверсу рамы 11 колёсного транспортного средства 7, вызывая реакцию устранения силового воздействия, что ведёт к выравниванию моста 6 транспортного средства 7.
Учитывая необходимость теоретического обоснования принципов работы и технологических характеристик рассматриваемой конструкции предлагается работу такого устройства оценивать коэффициентом стабилизации поперечной нагрузки и с учётом ранее проведенных теоретических и экспериментальных исследований использовать формулу

Кпу=Qм/Qс=(2- /2) , (1) где − поперечный габарит моста автомобиля, м; Qм – весовая нагрузка, приходящееся на колесо с установленным устройством, кН; Qс – весовая нагрузка,
приходящаяся на колесо без установленного устройства, кН.
Предложенный коэффициент стабилизации поперечной нагрузки, формула
(1), показывает на сколько предлагаемое устройство позволяет регулировать нагрузку на колесо, находящееся ниже по склону зависит от поперечного габарита моста .
Проанализируем работу ведущего моста колёсного транспортного средства на примере автомобиля с установленным рамочным регулятором нагрузки. Для этого рассмотрим равновесие моста транспортного средства с равномерно распределённым грузом в кузове при его движении по ровной дороге и при изменении параметров колеса.
Для этого отбросим механические связи, заменим их реакциями и покажем все силы, действующие на колёсный мост (рисунок 2).
Рисунок 2- Схема сил, действующих на колёсный мост при движении по ровной поверхности без учёта действия регулятора нагрузки
Где G – действующая сила тяжести перевозимого груза, Н, N1 и N2 – силовая реакция дороги, Н, Q1, Q2, Q3 – вес основных частей (механизмов) моста, Н, − общая ширина колёсного моста, м., и −расстояния от движителя до точек приложения нагрузки, м.
Составим уравнения равновесия и определим реакции дороги (N1 и N2 )
= + + +0,5 (2)
1123
= + + + ∙0.5, (3) 2123
Составим уравнение равновесия моста при вертикальном смещении одного колесного движителя (рисунок 3).
Рисунок 3- Схема сил, действующих на мост с учётом действия регулятора нагрузки
где −расстояние между точками крепления регулятора нагрузки, м, − расстояние от точки крепления регулятора нагрузки до движителя, м.
Реакция поверхности под опорой сместившегося движителя будет отсутствовать и начнёт действовать межколёсный регулятор нагрузки. Соответственно происходит перераспределение весовой нагрузки с проваливающегося (вертикально-смещаемого) движителя через опорный рычаг на раму прицепа (транспортного средства) и противолежащий движитель этого моста моста. Действие межколёсного регулятора на мост выражается реакциями R1 и R2. Для математического обоснования процессов перераспределения нагрузок составим схему сил, действующих на мост с учётом действия регулятора нагрузки, используя рисунок 3.
При 2 = 0 1 = ( + 1+ 2+0,5 3) , (4)
=(2− )( + + +0,5 ), (5) 12123
Анализ формул (2) и (5) показывает, что происходит перераспределение нагрузки со смещающегося движителя на противолежащие движитель или раму прицепа (транспортного средства).
Для более наглядного представления величин перераспределения веса со смещаемой части моста ( 1)при действии регулятора нагрузки в виде зависимостей от расстояния крепления регулятора ( ) от центра приложения веса 3, высоты смещения моста ( ) составлена комбинированная модель детерминированного факторного анализа (рисунок 4).

Рисунок 4- Модель зависимости перераспределения веса со смещаемой части моста ( 1)
В результате исследований совместного влияния зависимостей от расстояния крепления регулятора ( ) от центра приложения веса 3 и высоты смещения моста ( ) установлено, что на изменение реакции гладкой поверхности 1 наибольшее воздействие оказывают обе изменяемые величины. Реакция гладкой поверхности 1 в данном случае максимальна при достижении = 0,27 м, =0,6 м.
Полученные зависимости подтверждают выполнение рамочным регулятором нагрузки условий решения поставленной технической задачи и позволяют теоретически обосновать процесс перераспределения нагрузки с вертикально- смещаемой части моста на противоположный движитель и раму транспортного средства, подтверждая, что при установке в ходовую систему транспортного средства предлагаемого регулятора собственной нагрузки данное устройство способно корректировать продольную и поперечную устойчивость транспортного средства.
Рассмотрим взаимодействие элементов конструкции автомобиля при работе предлагаемого устройства (рисунок 5).
Рисунок 5 – Схема действия сил на
энергетическое включенным
регулятором
движении поперёк склона
средство с рамочным нагрузки при
где Моп –
момент, Н·м;
положения
энергетического
опорной поверхности, м; – масса энергетического средства, т; – ускорением свободного падения, м/с2, ∆ – величина смещения центра масс относительно оси наклона, м, – угол наклона, град,
опрокидывающий h – расстояние центра тяжести средства от
h – высоты смещения моста, м; – длина поперечного габарита моста, м, В – поперечная база автомобиля, м, -угол наклона, град
Анализ сил, действующих на энергетическое средства с включенным рамочным регулятором нагрузки в соответствии с предлагаемой схемой, представленной на рисунке 5, позволяет констатировать, что увеличение восстанавливающего момента обусловлено возрастанием плеча за счет смещения центра масс, тогда как опрокидывающий момент не изменяется и определяется формулой (6).
Моп =h sin , (6)
Включение рамочного регулятора нагрузки позволяет воздействовать в желаемом направлении на величину восстанавливающего момента
Мв = (0,5В + ∆ ) , (7) Из условия равенства моментов относительно оси вращения, проходящей
через центр масс с учётом ранее полученных получено
Следовательно
h sin =(0,5В+(h − )h ) , (8) 0,5
t = +(h − )h . (9) 2h 0,5 h
Сравнение формул (8) и (9), позволяет сделать вывод, что значение коэффициента поперечной устойчивости энергетического средства возрастает на величину, регулируемую конструктивно-технологическими параметрами предлагаемого устройства
(h − )h > 0. (10) 0,5 h
С целью обоснования применения рамочного регулятора нагрузки проведем оценку коэффициента догружения К1 колеса, находящегося ниже по склону при выключенном и включенном устройстве, используя схему на рисунке 6.

́
́ ́ (В−(h − )h ) +h К2 = п = 2 0,5
п В
В +h
В
h
–при выключенном устройстве К1 = п = 2 п
– при включенном устройстве
= 0,5 + , (11) В
Рисунок 6 – Расчетная схема для определения
коэффициента догружения колеса
Пользуясь схемой на рисунке 6 определён коэффициент догружения колеса, находящегося ниже по склону с учётом ранее полученных формул
=0,5+h −(h − )h . (12) В 0,5 В
Таким образом
перераспределяющего устройства коэффициент догружения снижается более чем на 9% в сравнении с серийным автомобилем.
В результате проведенных теоретических исследований определено, что величина прямых энергозатрат и затрат живого труда у серийного транспортного средства выше, чем у экспериментального, оборудованного устройством для межколёсного перераспределения веса.
В третьей главе приводится методика и условия экспериментальных исследований. Для подтверждения полученных теоретических исследований были проведены экспериментальные исследования, при этом решались следующие задачи: экспериментально проверить, установить взаимодействующие параметры и проанализировать процессы перераспределения сцепного веса и вертикальной нагрузки между движителями, находящимися на одной колёсной оси транспортного средства в движении; провести сравнительные хозяйственные испытания экспериментального (с установленным рамочным регулятором нагрузки) и серийного транспортного средства; выполнить экономическую и топливно-энергетическую оценку использования экспериментального
установлено,
что в случае
использования
транспортного средства на работах по обеспечению грузоперевозок в агропромышленном комплексе. В качестве объектов исследования были взяты: серийный автомобиль КамАЗ –5350, автомобиль КамАЗ – 5350 с установленным рамочным регулятором., В ходе проведения экспериментальных исследований замерялись следующие параметры: скорость движения, масса перевозимого груза, масса транспортного средства, тяговая передача автомобиля, расход топлива, пройденный путь, время опыта, распределение вертикальной нагрузки на движители при работе предлагаемого устройства.
При проведении исследований применялись общие и частные методики, использовался аппарат математического моделирования эксперимента, методы регрессионного анализа. Опытные испытания проводились в реальных условиях производственной эксплуатации энергетических средств в Амурской области. Обработка данных, полученных в ходе эксперимента, проводилась известными методами математической статистики с использованием ЭВМ и специализированных программ обработки данных.
В четвертой главе работы приводятся результаты экспериментальных исследований.
Результаты проведенных исследований по перераспределению веса на опоры заднего и переднего моста автомобиля в зависимости от высоты подъёма колёса представлены на рисунках 7,8.
1300
1250
1200
1150
1100
1050
1000
900
800
Экспериме нтальный автомобиль с регуляторо м нагрузки
Серийный автомобиль
0 5 10 15 20
Рисунок 7- Зависимость нагрузки приходящейся на правое заднее колесо от высоты подъёма левого заднего колеса
Полученная зависимость может быть описана полиноминальным уравнением:
для серийного автомобиля
y = 0,1028×2 + 14,85x + 931,78. (13)
для экспериментального автомобиля
y = -0,0882×2 + 5,0317x + 933,43. (14)
2600
2500
2400
2300
2200
2100
2000
1900
1800
1700
1600
Эксперименталь ный автомобиль с регулятором нагрузки
Серийный автомобиль
0 5 10 15 20
Рисунок 8- Зависимость нагрузки приходящейся на правое переднее колесо от высоты подъёма левого заднего колеса
Полученная зависимость описана полиноминальным уравнением: для серийного автомобиля
y = -1,94×2 + 73,365x + 1802,4. (15) для экспериментального автомобиля
y = -0,1058×2 + 22,127x + 1792,7. (16) Как показали проведенные исследования при подъёме левого заднего колеса (наезд на препятствие или движение по склону) произошло перераспределение нагрузки между колёсами автомобиля. Так при подъёме колеса (рисунок 7) от 0 до 0,2 м весовая нагрузка, приходящаяся на заднее правое колесо изменилась как у серийного так и у экспериментального автомобиля. У серийного -с 0,950 кН до 1,251 кН, а у экспериментального с 0,945кН до 1,020 кН, то есть соответственно на 31,7% и 7,4 %. Изменение весовой нагрузки переднего правого колеса (рисунок 8) соответственно составило 28,9% и 21,8%. Полученные данные подтверждают снижение весовой нагрузки на колесо, находящееся ниже по склону, что позволяет повысить поперечную устойчивость автомобиля при движении по склону или при наезде на препятствие. Кроме этого были проведены исследования по влиянию предлагаемого устройства на перераспределение нагрузки при опускании заднего левого колеса в случае его проваливания в выбоину, повреждения или прокола.
Результаты исследований представлены на рисунке 9.
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
y = 0,4715×2 – 50,468x + 2358,6
Экспериментальный автомобиль с регулятором нагрузки
Серийный автомобиль
Полиномиальная (Экспериментальный автомобиль с регулятором нагрузки)
Полиномиальная (Серийный автомобиль)
y = 0,501×2 – 44,916x + 2091,6
800
54 59 64 69 74
Рисунок 9- Зависимость нагрузки приходящейся на правое заднее колесо от глубины опускания движителя
В результате проведенных исследований установлено, что при увеличении высоты опускания движителя происходит перераспределение нагрузки как у серийного так и у экспериментального автомобиля. Так при опускании левого заднего колеса произошло увеличение нагрузки на правое заднее колесо у серийного с 1,0 кН до 1,2 кН, а у экспериментального с 1,0кн до 1,5 кН, то есть произошло перераспределение нагрузки соответственно на 20% и 50%. Это говорит о том, что использование предлагаемого устройства позволяет уменьшить нагрузку у колеса, находящегося в худших условиях сцепления с поверхностью в случае проваливания в выбоину или прокола. Аналогичные результаты получены и при изменении угла наклона заднего ведущего моста. Сходимость теоретических и экспериментальных данных находится в пределах доверительного интервала.
С целью определения влияния предлагаемого устройства- рамочного регулятора нагрузки для перераспределения веса между движителями энергетического средства, находящимися на одной колёсной оси, были проведены экспериментальные исследования. Результаты исследований представлены на рисунке 10.
Рисунок 10- Зависимость коэффициента догружения колеса, находящегося ниже по склону, от угла наклона автомобиля:
К1 – серийный вариант автомобиля,
К2 – при включенном регуляторе нагрузки
В результате проведенных исследований установлено, что с увеличением угла наклона автомобиля происходит увеличение веса на колесо находящееся ниже по склону как у серийного энергетического средства, так и у экспериментального с установленным регуляторе нагрузки (рисунок 10). Так при увеличении угла наклона автомобиля от 0 градусов до 20 градусов коэффициент догружения колеса, находящегося ниже по склону, увеличился у серийного от 1 до 1,3, а у автомобиля с установленным устройством для перераспределения веса между колёсами, находящимися на одной оси, с 1 до 1,25. Таким образом установлено, что установка на автомобиль устройства для перераспределения сцепного веса между колёсами, находящимися на одной оси, позволило снизить коэффициент догружения на 6%.
Теоретические данные и экспериментальные результаты находятся в пределах допустимого расхождения, что говорит о достоверности проведенных исследований.
Проведённые сравнительные хозяйственные испытания показали что использование экспериментального автомобиля КамАЗ-5350 с рамочным регулятором нагрузки позволило повысить производительность в час времени движения на 11,9 %, и снизить расход топлива на 14,6% по с равнению с серийным КамАЗ-5350. В результате проведенных исследований установлено, что наибольший коэффициент надежности технологического процесса составил у автомобиля с установленным устройством для перераспределения веса между колёсами находящимися на одной оси- 0,9.
В пятой главе проведена топливно-энергетическая и экономическая оценка. Как показали проведённые расчёты использование автомобиля КамАЗ-5350 с установленным регулятором нагрузки позволяет получить экономию 3,242
МДж/ткм, а в пересчёте на один рабочий день -628,948 МДж, что в денежном эквиваленте составит 225,1 рублей.
ВЫВОДЫ
В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований, выполненных для решения научной задачи по повышению эффективности использования колёсных энергетических средств на транспортных работах в условиях Амурской области сформированы следующие обоснованные выводы:
1. Установлено, что основные транспортные работы в области, предусмотренные применяемой технологией растениеводства, приходятся на март-май -25…30% и сентябрь-ноябрь 40…45 % и проходят в условиях слабой несущей способности почвы. Использование в этот период автомобилей общего назначения на транспортных операциях при движении по дорогам с низким коэффициентом сцепления малоэффективно вследствие их невысоких тягово- сцепных свойств и возникает необходимость привлечения автомобилей повышенной проходимости.
2.На основании проведённого анализа установлено, что для повышения эффективности использования колесных грузовых автомобилей на транспортных работах необходимо повышение их тягово-сцепных свойств за счёт корректирования величины вертикальной нагрузки и веса, приходящего на ведущие колеса.
3. Проведённый обзор известных технических решений и способов перераспределения вертикальных нагрузок на движители энергетического средства позволил предложить конструкторское решение технической задачи с наименьшими материальными затратами и высокими режимно – эксплуатационными характеристиками, предназначенными для повышения эффективности использования энергетического средства на транспортных работах.
4. Полученные теоретические зависимости позволяют математически обосновать процесс перераспределения веса с вертикально-смещаемой части моста на противоположный движитель, находящейся на одной оси и раму транспортного средства, подтверждая гипотезу, что при установке предлагаемого регулятора собственной нагрузки устройство способно увеличить тягово-сцепные свойства и поперечную устойчивость транспортного средства за счёт перераспределения весовой нагрузки в ходовой части транспортного агрегата.
5. Установлено, что при подъёме левого заднего колеса (наезд на препятствие, проваливание или движение по склону) произошло перераспределение нагрузки между колёсами автомобиля. Так, при подъёме колеса от 0 до 0,2 м весовая нагрузка, приходящаяся на заднее правое колесо изменилась как у серийного, так и экспериментального автомобиля. У серийного- с 9,50 кН до 12,51 кН, а у экспериментального с 9,45кН до 10,20 кН, то есть соответственно на 31,7% и 7,4 %. Изменение весовой нагрузки переднего правого колеса соответственно составило 28,9% и 21,8%. Полученные данные подтверждают снижение весовой нагрузки на колесо, находящееся ниже по склону, что позволяет повысить поперечную устойчивость автомобиля при движении по склону или при наезде на препятствие. При опускании движителя происходит перераспределение нагрузки, как у серийного, так и у экспериментального автомобиля. Так, при опускании левого заднего колеса произошло увеличение нагрузки на правое заднее колесо у серийного с 10,1 кН до 12,2 кН, а у экспериментального с 10,0 кН до 15,1 кН, то есть произошло перераспределение нагрузки соответственно на 20% и 50%. Это говорит о том, что использование предлагаемого устройства позволяет уменьшить нагрузку на движитель, находящийся в худших условиях сцепления с поверхностью в случае проваливания в неровности поверхности движения.
6. Использование экспериментального автомобиля КамАЗ-5350 с рамочным регулятором нагрузки позволило повысить производительность в час времени движения на 11,9 %, при этом снизить расход топлива на 14,6% по с равнению с серийным КамАЗ-5350, получить экономию 3,242 МДж / т  км , что в пересчёте на один рабочий день -628,948 МДж, а в денежном эквиваленте составит 225,1 рублей.