Modern test benches for dynamic tests of tractor tires

Full Text

Введение Безопасность движения многих видов транспорта (тракторы, автомобили, самолеты и др.) зависит от надежности и качества применяемых в них пневматических шин. Благодаря их амортизирующим свойствам, они значительно смягчают толчки от неровной поверхности дороги, передаваемые водителю и корпусу машины [1, 2]. От свойств шины зависят также основные эксплуатационные показатели машины: тягово-сцепные свойства, управляемость, устойчивость, плавность хода, износостойкость, проходимость и топливная экономичность. В связи с тем, что возрастают требования к эксплуатации шин и безопасности движения транспортных средств, большое внимание уделяется качеству и надежности пневматических шин. Поэтому шины постоянно совершенствуются в направлении повышения стойкости к механическим повреждениям, улучшению тягово-сцепных свойств, уменьшению сопротивления качению, деформации и износа. Для обеспечения требуемой надежности шин необходима оценка их эксплуатационных свойств на стадии производства [3-5]. Эта задача может быть решена проведением испытаний шин на специальных лабораторных стендах с имитацией реальных условий эксплуатаций [6, 7], обеспечивающих определение таких характеристик шины, как возможность продолжительного движения на максимальной скорости, восприятие усилий при криволинейном движении, деформация шины, динамический радиус, срок службы при работе в различных скоростных режимах, сопротивление шины качению, степень нагрева шин и т.д. Основной составной частью таких стендов является беговой барабан, приводимый в движение электроприводом. Как правило, в подобных стендах вращение барабана реализуется на основе двигателей постоянного тока (ДПТ) с управляемым тиристорным преобразователем. Кроме известных недостатков [8] приводы с ДПТ имеют и высокое потребление электроэнергии, обусловленное потерями на преодоление усилий в механизмах вращения шин. Существенным недостатком подобных стендов является и механизм нагружения шины, который реализуется с помощью механических грузов, подвешенных на тросе через рычаг и воздействующих на ось обода, на котором смонтирована шина. Данный способ нагружения не позволяет изменять величину нагрузки, которая воздействует на шину в процессе их испытаний. Цель исследований Разработка стендов для испытания тракторных шин с новыми механизмами их нагружения и применением современных электроприводов переменного тока, конструкция которых позволила бы обеспечить испытания шин с наибольшей знергоэффективностью при сокращении сроков испытаний шин и затрат на их проведение за счет возможности экономии электрической энергии. Материалы и методы Сегодня на рынке много предложений вполне качественного оборудования, которое позволяет проверить шины по необходимым параметрам. Но для полного подтверждения качества выпускаемой продукции проводить испытания целесообразно только на специализированных стендах. Среди иностранных производителей можно выделить испытательные стенды компаний Tianjin Jiurong и ALTRACON. Стенды компании Tianjin Jiurong Tianjin Jiurong WheelTechCo., Ltd. - высокотехнологичная компания, специализирующаяся на исследовании методов испытаний автомобильных колес и шин и разработке соответствующего испытательного оборудования. Тип стенда: TJR-1-OTR (Y) - предназначен для испытания радиальной прочности шин для бездорожья (рис. 1). Рис. 1. Стенд TJR-1-OTR (Y) для испытания радиальной прочности шин (однопозиционный) Недостатки стенда: - возможность испытания только одной шины (однопозиционный); - нет информации о возможности создания вибрационных нагрузок; - нет информации о возможности одновременного испытания двух шин разных диаметров. Тип стенда: TJR-2-OTR (Y) - используется для испытания радиальной прочности шин для бездорожья (рис. 2). Рис. 2. Стенд TJR-2-OTR (Y) для испытания радиальной прочности шин (двухпозиционный) Недостатки стенда: - максимальная ширина испытываемой шины <1000 мм; - нет информации о возможности создания вибрационных нагрузок; - нет информации о возможности одновременного испытания двух шин разных диаметров. Тип стенда: TJR-1-OTR (Y) A - используется для проверки шины для бездорожья (шины с диаметром обода 63, 57, 51, 49 дюйма) (рис. 3). Он может оценивать эксплуатационные характеристики шины по значению «тонна на километры в час». Рис. 3. Стенд TJR-1-OTR (Y) A для испытания шины для бездорожья (однопозиционный) Недостаток стенда: - возможность испытания только одной шины (однопозиционный); - ограниченный посадочный диаметр (обода) 25-63 дюйма; - нет информации о возможности создания вибрационных нагрузок; - нет информации о возможности одновременного испытания двух шин разных диаметров. Стенд компании ALTRACON ALTRACON - эксперт высокопроизводительного испытательного и измерительного оборудования с опытом разработки и обслуживания механических и электрических систем более 30 лет. Тип стенда: Two Position Drum Tire Testing Machine - двухпозиционная машина для испытания шин на износостойкость (рис. 4). Она представляет собой сверхмощную машину с множеством встроенных конструктивных и функциональных возможностей, такими как характеристики сопротивления качения и диагностика неисправностей шин, а также эксплуатационные характеристики. Рис. 4. Стенд ALTRACON для испытания шин на износостойкость (двухпозиционный) Испытательная машина размещается в центральном модуле с барабаном и приводом и нагрузочной станцией (рис. 5). Модуль имеет собственную жесткую раму. Диаметр барабана 3000 мм. Барабан приводится в действие серводвигателем переменного тока с прямой передачей крутящего момента. Для остановки и блокировки барабана может быть применена дополнительная система аварийного торможения. Ось испытательного колеса оснащена системой блокировки/торможения. Фиксаторы шин адаптированы для различных посадочных диаметров (обода). Рис. 5. Конструкция стенда ALTRACON для испытания шин на износостойкость Нагрузка на колесо прикладывается и измеряется непосредственно на оси вертикального колеса, которая удерживает фиксатор (устройство для крепления колеса) независимо от крутящего момента (рис. 6). Высокоточные линейные направляющие заботятся о плавном движении устройств для крепления колеса и обеспечивают максимальную точность управления. На каждом колесе установлена система детектора выпуклости. Испытательный стенд включает в себя систему контроля давления воздуха в шине и может быть опционально оснащена системой измерения температуры воздуха в помещении с помощью поворотного датчика или с 3-канальной радиочастотной системой передачи данных. Есть возможность измерения сопротивления качению колеса. Машины Altracon, как правило, оснащены системой удаленного мониторинга с помощью интерфейса TCP/IP для немедленного доступа к системе технических специалистов в случае чрезвычайной ситуации, для обслуживания или любых других срочных случаев. Рабочая станция оператора включает в себя большой ЖК-монитор для управления машиной и дополнительный ЖК-монитор для дополнительной системы мониторинга. Рабочая станция - это человеко-машинный интерфейс (HMI) для полного управления машиной, а также для выполнения тестов/испытаний и стандартной отчетности, ориентированной на графический интерфейс пользователя (GUI). Тесты хранятся в базе данных. Отчеты об испытаниях могут быть скопированы и вставлены в WORD, что позволяет их быстро и легко обрабатывать. Недостатки стенда: - нет информации о возможности создания вибрационных нагрузок; - нет информации о возможности одновременноого испытания двух шин разных диаметров. Общим недостатком представленных стендов является отсутствие у приводов механизмов вращения шин возможности рекуперации энергии в общую сеть питания и в итоге повышенные затраты электроэнергии при испытаниях шин. Отечественные стенды Одним из современных стендов отечественного производства является стенд СО2-100, разработанный в 2007 г. в ОАО «Специальное Конструкторское Бюро Испытательных Машин» (СКБИМ) г. Армавир (рис. 7) [7]. Коллектив СКБИМ работает над созданием и совершенствованием испытательной техники общепромышленного назначения, используемой для массовых контрольных испытаний продукции на соответствие обязательным требованиям стандартов. Рис. 7. Стенд СО2-100 для динамических испытаний пневматических шин (двухпозиционный) Недостатки стенда: - диаметр испытываемых шин до 1500 мм, нет возможности для испытания шин большего диаметра; - узкий диапазон измерения нагрузки 0-100 кН; - нет возможности создания вибрационных нагрузок; - нет возможности одновременного испытания двух шин разных диаметров; - за счет преодоления усилий в механизмах вращения шин имеются заметные потери мощности, что увеличивает затраты на электроэнергию в процессе испытаний. Для устранения недостатков стенда СО2 - 100 предложена его модернизация (рис. 8) [9, 12]. Суть предложения в том, что кроме основного приводного электродвигателя стенда на выходные валы размещения испытуемых шин устанавливаются электродвигатели, работающие в режиме рекуперативного торможения, которые обеспечивают возврат энергии торможения в питающую электромашины сеть. Тем самым потребляемая из сети энергия будет затрачиваться лишь на создание деформации шин и компенсацию потерь в электроприводах и механизмах стенда. Для этого симметрично беговому барабану 1 с обеих его сторон располагаются два нагружающих устройства, каждое из которых состоит из асинхронного короткозамкнутого электродвигателя 3 и 4, траверсы 5 с силовым гидроцилиндром 6 и узла установки испытуемой шины 7 (каретки). Каретка и траверса связаны между собой через датчик силы 8, который предназначен для измерения радиальной нагрузки, прикладываемой к шине. Нагрузка на шину создается асинхронными двигателями и силовым гидроцилиндром при фиксированном положении траверсы на горизонтальных колоннах. Управление двигателями, вращающих барабан 1 и шины 9, обеспечивает система управления 10. Для измерения характеристик служат измерительно-регулирующая аппаратура и управляющий компьютер. Основные технические характеристики предлагаемого стенда приведены в табл. 1. Функциональная схема силовой части асинхронного частотно-регулируемого электропривода предлагаемого стенда представлена на рис. 9. Для питания представленных электродвигателей и преобразователей частоты общее энергопотребление со стороны питающей сети стенда по сравнению с приводом стенда с одной основной электромашиной (стенд СО2-100) практически вдвое меньше [9]. За счет систем индивидуального управления инверторами ИН2 и ИН3 и, соответственно, приводами АД2 и АД3 появляется возможность одновременного нагружения шин разного диаметра. Результаты и обсуждение Зарубежные производители стендов обычно не афишируют подробные их конструкции и показатели. Однако с учетом доступных литературных источников и данных с сайтов компаний [10, 11] можно провести их сравнение (табл. 3). По данным табл. 3 можно сделать следующие выводы. 1. По диаметру барабана и диаметру испытываемых шин предлагаемый стенд может посоревноваться со стендом TJR-1-OTR (Y) A компании T. JIURONG. Диаметр барабана немного (примерно на 200 мм) уступает зарубежному производителю, как и диаметр испытываемых шин. 2. Что касается максимальной скорости испытаний шин, то модернизированный стенд с представленными в табл. 2 техническими данными электроприводов не будет уступать зарубежным аналогам, а даже их превосходить. 3. По прикладываемой нагрузке стенд TJR-1-OTR (Y) A с диаметром барабана 5 метров заметно превосходит конкурентов (1200 кН). 4. За счет систем индивидуального управления инверторами ИН2 и ИН3 и, соответственно, приводами АД2 и АД3 появляется возможность одновременного нагружения шин разного диаметра. Выводы Предлагаемая модернизация электропривода стенда является перспективной, не уступающей по своим характеристикам как зарубежным аналогам, так и отечественному производителю. В соответствии с аналитическими расчетами [9], предлагаемый вариант испытательного стенда позволяет при его работе вдвое снижать потребление электроэнергии из питающей сети стенда. А за счет управления режимами работы нагрузочных двигателей стенда резко увеличивается возможность изменений нагрузок на испытуемые шины с высоким динамическим быстродействием. Соответственно, разработанная система электроприводов позволяет обеспечивать высокую энергоэффективность испытаний тракторных шин. Рис. 6. Габариты стенда ALTRACON для испытания шин на износостойкость Рис. 8. Кинематическая схема предлагаемого испытательного стенда Таблица ١ Основные технические характеристики модернизированного стенда № п/п Наименования показателя Значение 1 Диаметр испытываемых шин, мм: - наименьший; - наибольший 1200 3000 2 Ширина профиля испытываемых шин, мм: - наименьший; - наибольший 100 1170 3 Габаритные размеры барабана, мм: - диаметр; - ширина 4777 1200 4 Привод барабана Асинхронный двигатель 5 Привод колес Асинхронный двигатель 6 Диапазон измерения нагрузки, кН 0-250 7 Скорость качения бегового барабана, км/ч 0-80 8 Диапазон измерения динамического радиуса, мм 0-1500 9 Диапазон измерения буксования, % 0-100 10 Тяговое усилие, кН 0-50 11 Давление со стороны гидроцилиндров, кПа 0-500 13 Установка угла, град.: - схода; - увода 0-10 0-15 14 Электрооборудование: - электропитание; - частота 3 PEN 380 В (±10 %) TN-C-S 50 Гц(±0,2 Гц) Рис. 9. Функциональная схема силовой части электропривода стенда: ИН1, ИН2, ИН3 - инверторы напряжения; УВ - управляемый выпрямитель Таблица ٣ Сравнение технических характеристик современных стендов Производитель JIURONG ALTRACON ОАО «СКБИМ» Предлагаемый стенд Тип машины TJR-1-OTR (Y) TJR-2-OTR (Y) TJR-1-OTR (Y) A 2-поз.стенд CO2-100 Количество испытываемых шин 1 2 1 2 2 2 Диаметр барабана, мм 3000 3000 5000 3000 1700 4777 Ширина барабана, мм 1000 1000 1700 1200 1200 Диаметр испытываемых шин, мм 1200-2500 1350-2500 1700-4100 600-2500 300-1500 1200-3000 Макс. скорость испытаний, км/ч 80 (±2 км/ч) 100 (±2 км/ч) 70 (±2 км/ч) 120 170 170 Максимальная нагрузка, кН 200 (±1 %) 400 (±1 %) 1200 (±1 %) 200 (опц. 300) (±1,5 %) 100 250 Мощность двигателя барабана, кВт 180 361 450 260 ~ 250 250 Габариты стенда Длина, мм 10800 13900 13000 12500 12000 ~14000 Ширина, мм 3400 3400 7200 3830 3700 ~ 3600 Высота, мм 3000 4300 5200 3310 1700 ~ 5000 Вес, т 44 62 130 11 Таблица ٢ Итоговая таблица потерь мощностей в приводах Механизм вращения барабана Механизм вращения шин Составляющие суммарных потерь ∆Рдв., Вт 13713 9176 32065 ∆Ринв., Вт 5102 7731 20656 ∆Рд, Вт - 33000 66000 ∆Рув, Вт 5142 ∆РΣ, кВт 124 Рсэкономл., % 51

About the authors

E. A Vlas'evnina

National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

Email: lenavlan.94@mail.ru
Moscow, Russia

O. I Osipov

National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

Email: lenavlan.94@mail.ru
Moscow, Russia

References

Supplementary files