Investigation of operating temperature of dump trucks pneumatic tires

Full Text

Дальнейшая интенсификация горнодобывающей промышленности России заключается в открытом способе добычи полезных ископаемых, как наиболее производительном, эконо- мичном и безопасном. Применение открытого способа предопределило использование и раз- витие технологического автомобильного транспорта, которым перевозится около 80% гор- ной массы, а эффективность самого способа в значительной мере определяется производи- тельностью автомобильного транспорта. В настоящее время на угледобывающих предприя- тиях Кемеровской области эксплуатируются карьерные автосамосвалы грузоподъемностью от 45 до 220 тон. Наибольшую эффективность в технологическом процессе по добыче угля показали автосамосвалы БелАЗ 7555 и БелАЗ 75131 грузоподъемностью 55 и 130 тонн соот- ветственно. Повышение производительности технологического автомобильного транспорта ставит перед шинной промышленностью задачи по расширению ассортимента и улучшению каче- ства карьерных шин различных типов и моделей. Эти шины сложны по конструкции и тру- доемки в изготовлении, оказывая значительные эксплуатационные затраты до 30% и более от суммы расходов на транспортирование ими горной массы [1]. Большие габариты, высокий коэффициент нагруженности требуют увеличения нормы слойности, что наряду с глубоким рисунком протектора и высокой его насыщенностью определяют одну из основных особен- ностей работы карьерных пневматических шин - повышенное теплообразование и высокие эксплуатационные температуры [2 - 4]. В связи с этим в качестве одного из основных пара- метров, определяющих долговечность и работоспособность шин, интенсивность их работы принята эксплуатационная температура. Другой важной особенностью работы карьерных пневматических шин, является специфичность условий их эксплуатации в карьерах, в кото- рых дороги, как правило, низшего типа. Они построены на скальном основании с подсыпкой щебня из разрабатываемых вскрышных пород. Жесткие дорожные условия эксплуатации, высокие эксплуатационные температуры, климатические условия и другие факторы приво- дят к интенсивному износу протектора, механическим повреждениям и тепловым разруше- ниям шин (см. рисунок 1). Анализ результатов эксплуатации карьерных автосамосвалов показал, что долговеч- ность шин существенно зависит от температуры их нагрева [2 - 4]. Для современных беска- мерных шин критической считается температура 120°С. Нередко генерация температур в ка- рьерных пневматических шинах, достигает максимума, обусловленного тем, что у них низ- кая интенсивность охлаждения. Это продиктовано особенностью конструкции шины, имею- щей большую толщину. В результате тепловых разрушений может произойти разрыв корда или возгорание пневматической шины, что создаѐт опасность для жизни и здоровья водите- лей и близко находящихся людей [2 - 4]. Причем тепловое состояние шин напрямую связано с естественным износом рисунка протектора. Все выше перечисленное свидетельствует об актуальности исследований долговечности пневматических шин карьерных автосамосвалов по параметру эксплуатационных температур. . Рисунок 1. Тепловое разрушение пневматической шины автосамосвала БелАЗ 75131 (отслоение протектора) Как видно из рисунка 2 процесс нагрева автомобильной шины обусловлен рядом при- чин, основными из которых являются: гистерезисные потери в шине; внешнее трение шины о поверхность дорожного покрытия; воздействие на поверхность шины солнечной радиации. Для подавляющего большинства эксплуатационных режимов, в которых работает ши- на, теплообразование от деформации и внутреннего трения составляет в среднем 85…95%, от внешнего трения от 5 до 15%. Исключение составляет движение юзом, пробуксовка и приложение к колесу крутящих моментов, значительно превышающих максимальный мо- мент по сцеплению, где основной причиной теплообразования в шине является ее внешнее трение о поверхность дороги. Однако такие режимы в реальной эксплуатации автосамосва- лов реализуются достаточно редко и в основном в период распутицы при движении на подъ- ем. Рисунок 2. Схема теплообразования в пневматической шине и ее теплообмен с окружающей средой Солнечная радиация оказывает влияние на нагрев шины только в наиболее жаркое вре- мя года. При этом температура отдельных участков шины, освещенных солнцем, может уве- личиваться на 10…15°С по сравнению с поверхностью шины, находящейся в тени. Часть теплоты, генерируемой в массиве катящейся шины, непрерывно отводится в окружающую среду (см. рисунок 2). Причем, если в начале движения температура шины равна температуре окружающей среды и теплообразование значительно больше теплоотда- чи, то через определенное время суммарные величины теплообразования и теплоотдачи вы- равниваются, а температура в шине стабилизируется (стационарный режим). Исследования теплового состояния пневматических шин карьерных автосамосвалов проводилось в условиях работы угольных предприятий Кемеровской области. Температур- ные измерения выполнялись с помощью портативного неконтактного термометра (пиромет- ра) Raytek МТ6 [2]. Основное теплообразование в шине происходит в зоне ее контакта с опорной поверх- ностью. На элемент шины в такой зоне действуют максимальные величины и скорости изме- нения деформаций: нормальной, окружной и боковой. Установлено, что наибольшее количество теплоты, отнесенное к единице объема, вы- деляется в середине брекерного слоя шины и на его краях, а общая величина теплообразова- ния в шине распределяется по ее основным элементам в среднем так: протектор (включая подканавочный слой) - около 50 %; каркас - от 12 до 33 %; брекерный слой - от 7 до 15 %; боковины и примыкающий к ним борт - от 5 до 25 %. Результаты обработки экспериментальных исследований эксплуатационных темпера- тур пневматических шин приведены на рисунках 3 и 4. На рисунке 3 представлены установившиеся эксплуатационные температуры пневма- тических шин задней оси, при средней температуре окружающего воздуха tср = 20…23ºС и равных условиях эксплуатации. Как видно из рисунка 3, установившиеся эксплуатационные температуры пневматиче- ских шин в зависимости от завода изготовителя отличаются. Это связано в первую очередь с конструкцией шины и ее эластичностью. Стоит отметить, что эксплуатационные температу- ры пневматических шин фирм Bridgestone и Goodyear, Белшина и Eurotire практически сопоставимы между собой. В ходе исследования было выявлено, что пневматические шины авто- самосвала БелАЗ 75131 дополнительно нагреваются от редуктора мотор колеса. Эксплуатационная температура пневматических шин, 0C 120 100 80 60 40 20 0 Белшина Eurotire Bridgestone Goodyear БелАЗ-7555B 98.8 97.7 88.1 86.5 БелАЗ-75131 111.1 110.5 94 93.4 Рисунок 3. Установившиеся эксплуатационные температуры пневматических шин Из анализа проведенных исследований пневматических шин размерности 33.00R51 мо- дели Бел 162 (см. рисунок 4) следует, что наиболее интенсивный рост их температур имеет место в первые 8 часов эксплуатации карьерных автосамосвалов БелАЗ 75131, а в последу- ющее время температура увеличивается не более, чем на 1…5ºС/ч. При работе автосамосва- лов происходит переменно разогрев и охлаждение шин в связи с остановками под погрузку и разгрузку, перерывами на обед и пересменку. Температура пневматических шин , ℃ 120 100 80 60 40 20 Нестационарный режим Стационарный режим 0 0 4 8 12 16 20 24 Время эксплуатации, ч Бешина Bridgestone Рисунок 4. Динамика нагрева пневматических шин задней оси автосамосвала БелАЗ 75131, в зависимости от времени эксплуатации при скорости движения автосамосвала Vср=17 км/ч и средней температуре окружающего воздуха tср=20ºС: 1 - перерыв на обед; 2 - перерыв на пересменку Установлено, что шина при температуре окружающего воздуха 20…25ºС охлаждается примерно за 10 часов отстоя автосамосвала. При этом, в первые 4 часа отстоя автосамосвала скорость охлаждения шины составляет 10…12ºС/ч, а в дальнейшем она снижается до 5,0…6,7ºС/ч. Динамика нагрева пневматических шин автосамосвала БелАЗ 7555В имеет схожий характер. Задача определения первопричин появления тепловых отказов является одной из наиболее важных проблем, решаемых при организации на современном уровне эксплуатации крупногабаритных шин и автосамосвалов. Способы решения этих задач могут быть самыми разными, но в любом случае необходимо получить корреляционные соотношения темпера- туры в зависимости от конкретных условий эксплуатации с учетом степени износа протекто- ра шин. Без этих знаний оптимизация режимов движения автосамосвалов невозможна. К эксплуатационным факторам, оказывающим существенное влияние на тепловое со- стояние шин, относятся [1-3, 5-10]: средняя за транспортный цикл радиальная нагрузка на шину; эксплуатационная скорость автосамосвала; температура окружающего воздуха; внутреннее давление воздуха в шине. Известно, что ходимость шин при прочих равных условиях зависит от нагрузки и сте- пени соответствия ей значения давления воздуха в шине [5-10]. Внутреннее давление и грузоподъемность шины взаимосвязаны. Чем больше нагрузка на шину, тем выше должно быть внутреннее давление, чтобы выдержать эту нагрузку. Хотя шины эксплуатируют в соответствии с данными в каталогах грузоподъемностью и внутрен- ним давлением воздуха, точное значение внутреннего давления в шине должно определяться в каждом отдельном случае ее эксплуатации. Анализ стандартов и каталогов ведущих фирм, производящих пневматические шины, свидетельствует о том, что с увеличением нормы слойности, повышают внутреннее давление воздуха в шине. Установлено, что величина внутреннего давления воздуха в шине для кон- кретной нагрузки у фирм отличается. Видимо, они получены расчетом или путем экспери- ментальных исследований для конкретной конструкции шины и условий ее эксплуатации. В качестве основных факторов, в наибольшей степени определяющих тепловое состоя- ние крупногабаритных шин, выберем три: среднюю за транспортный цикл радиальную нагрузку на шину; эксплуатационную скорость карьерного автосамосвала; температуру окружающего воздуха. Эти факторы независимы, универсальны, количественны, имеют физический смысл и легко варьируются. Внутренние давление в пневматической шине мы рассматривать не бу- дем, так как это полностью управляемый фактор и в настоящее время контролируется в ка- рьерных автосамосвалах при помощи системы контроля давления в пневматической шине «Pressure Pro». Особое внимание необходимо уделять работе сдвоенных колес задней оси. При разности давлений в шинах сдвоенного колеса на 10%, темпера шины с наибольшим давлением может превышать 16%. Экспериментальными исследованиями установлено, что при максимальной нагрузке 392 000 Н на шину размерности 33.00R51 модели Бел 162 с увеличением скорости движения с 10 до 15 км/ч температура шины увеличивается на 32,9% при незначительном увеличении на 6% давления в ней воздуха [5]. Превышение допустимых эксплуатационных скоростей автосамосвалов приводит к тепловым отказам шин вследствие эксплуатационных причин. При соблюдении рекомендуемых режимов эксплуатации эти виды отказов будут опреде- ляться производственными причинами, т.е. недостаточным уровнем качества изготовления. Это подтверждает существенное влияние скорости движения автосамосвала на нагрев его шин. Экспериментальные данные по массе, приходящейся на шины соответствующей оси карьерного автосамосвалов БелАЗ в эксплуатации, определялись путем весового контроля, а средняя скорость его движения путем хронометража работы автосамосвалов с фиксацией скорости и сопоставлением ее с показаниями системы ГЛОНАСС. Информация о давлении воздуха в каждой шине каждого карьерного автосамосвала поступала в диспетчерский пункт предприятия через глобальную навигационную спутниковую систему ГЛОНАСС. Технологический автотранспорт на угольных предприятиях Кемеровской области в подавляющем большинстве использует пневматические шины таких производителей как Бел- шина и Bridgestone. Воспользовавшись программой Statistica 6.0 и методом Гаусса с погрешностью ±3,9% получены корреляционные зависимости максимальной установившейся температуры задних и передних шин автосамосвалов. Для БелАЗ 75131 с шинами Белшина: tшз.о.  31,7  0,6tср  0,101Qз.о.Vср.э ; tшп.о.  26,5  0,6tср  0,096Qп.о.Vср.э . Для БелАЗ 75131 с шинами Bridgestone: tшз.о.  30,1 0,6tср  0,078Qз.о.Vср.э ; tшп.о.  25,8  0,6tср  0,076Qп.о.Vср.э . Для БелАЗ 7555В с шинами Белшина: tшз.о.  37,2  0,6tср  0,097Qз.о.Vср.э ; tшп.о.  22,5  0,6tср  0,074Qп.о.Vср.э . Для БелАЗ 7555В с шинами Bridgestone: tшз.о.  35,4  0,6tср  0,081Qз.о.Vср.э ; tшп.о.  20,3  0,6tср  0,064Qп.о.Vср.э . Здесь tшп.о. и tшз.о. - температура шин соответственно передней и задней оси автосамосвала, оС; t - средняя температура окружающего воздуха, оС; Q и Q - средняя эксплуср п.о. з.о. атационная масса, приходящаяся на шины соответственно передней и задней оси автосамо- свала, т; Vср.э - средняя эксплуатационная скорость автосамосвала, км/ч. Большинство зарубежных фирм для оценки теплового состояния шин используют по- казатель ТКВЧ. Методологически экспериментальные исследования были построены таким образом, чтобы по результатам испытаний имелась возможность опенки теплового состояния по этому показателю. По полученным зависимостям можно определить допустимые эксплуатационные ско- рости автосамосвалов. Для оценки влияния высоты грунтозацепов шины на её нагрев в эксплуатации были проведены экспериментальные исследования, результаты которых приведены на рисунке 5. 135 Максимальная температура пневматических шин, 0C 130 125 120 115 110 105 100 78 75 60 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Высота рисунка протектора, мм БелшинаBRIDGESTONE Рисунок 5. Влияние высоты грунтозацепов на максимальную температуру пневматических шин автосамосвала БелАЗ 75131 Экспериментальные исследования проводились с пневматическими шинами размерно- сти 33.00 R51 модели Бел 162 фирмы ОАО «Белшина» и фирмы Bridgestone на автосамосвалах БелАЗ 75131. Перед началом испытаний замерялась высота грунтозацепов шины. Испы- тания проводились с новыми, частично изношенными и полностью изношенными (лысыми) шинами. Установлено, что в процессе эксплуатации шин на карьерном автосамосвале в зави- симости от величины их износа изменяется температура нагрева шин (см. рисунок 5). В про- цессе изнашивания шин их температура нагрева сначала уменьшается до определённой ве- личины, а далее увеличивается. Более высокому нагреву подвергаются полностью изношен- ные (лысые) шины. При этом шины фирмы Bridgestone подвергаются меньшему нагреву по сравнению с аналогичными шинами модели Бел 162 фирмы ОАО «Белшина». Очевидно, что это связано с меньшими гистерезисными потерями в шинах фирмы Bridgestone. Сопоставление результатов экспериментальных исследований по нагреву пневматиче- ских шин с результатами расчётов по полученным регрессионным зависимостям показало, что погрешность не превышает 6,5 % для автосамосвалов БелАЗ 75131 и 5,2% для автосамо- свалов БелАЗ 7555В. Следовательно, полученные регрессионные зависимости можно ис- пользовать для оценки максимальных установившихся температур нагрева пневматических шин карьерных автосамосвалов в процессе эксплуатации и определению средних эксплуата- ционных скоростей их движения.

About the authors

S. V. Goryunov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

V. M Sharipov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: trak@mami.ru
Dr.Eng., Prof.; +7 495 223-05-23, ext. 1111

G. M Kutkov

Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Dr.Eng., Prof.

References

Supplementary files