Development of an experimental research complex for determining parameters of interaction of a pneumatic tire with ground

Full Text

Введение Важной задачей при проектировании полноприводной колесной машины (КМ) является прогнозирование ее тяговых свойств и ожидаемых параметров проходимости. Для решения такой задачи необходимо иметь адекватную расчетную модель взаимодействия колесного движителя и деформируемого опорного основания (ДОП). В дальнейшем эту систему будем упоминать как механическую систему «шина - грунт». Доказать адекватность и подтвердить многие параметры в этой системе можно с помощью специального экспериментального комплекса типа «Грунтовой канал - активное колесо». Главной целью создания такого комплекса является разработка стенда для проведения научных исследований с возможностью проведения тонких экспериментов в системе «шина - грунт» (и оценкой их взаимовлияния), проведение лабораторных работ по учебным дисциплинам «Теория движения колесных машин», «Физика грунтов», «Проходимость колесных машин», «Исследования и испытания наземных транспортно-технологических комплексов». Основными задачами при проведении экспериментов на этом стенде являются: 1) имитация силового и кинематического взаимодействия реальной пневматической шины (автомобильного колеса) с деформируемой грунтовой поверхностью, механическое состояние которой можно варьировать; 2) измерение силовых и кинематических параметров взаимодействия в системе «шина - грунт»; 3) визуализация процесса неустановившегося взаимодействия шины и грунта в пятне их контакта при разгоне, буксовании и торможении; 4) разработка и создание измерительного комплекса по оценке физико-механического состояния грунтового массива. Цель исследования Целью исследования является разработка экспериментально-исследовательского комплекса по определению показателей взаимодействия пневматической шины с грунтом. Анализ конструкций грунтовых каналов Специалистами в области изучения процессов взаимодействия шины с грунтом в зависимости от целей исследований создавались варианты экспериментальных комплексов как для чисто лабораторных исследований, так и полевых. В качестве примеров можно привести ссылки на патенты и полезные модели, созданные во МГИУ [1] (вид установки приведен на рис. 1) и СКБ ЗИЛ [2] (вид конструкции приведен на рис. 2). Разработка таких серьезных комплексов и их реальное воплощение в виде исследовательских научных работ направлены на решение проблемы выбора оптимальной конструкции и параметров движителя колесных машин (КМ), эксплуатирующихся в условиях внедорожного движения. Устройство для исследования тягово-сцепных качеств движителей в полевых условиях (рис. 2) предназначено для исследования тягово-сцепных качеств как колес с пневматическими шинами большого диаметра, так и гусеничных движителей различных размеров. Испытуемый движитель установлен на оси с возможностью вращения относительно нее, ось выполнена в виде тензобалки, снабженной на торцах грузовым устройством, а приводной двигатель связан силовой передачей с ободом колеса. Основные результаты экспериментальных исследований, которые проводились на стенде МГИУ в лабораторных условиях: 1) определение взаимных деформаций шины и грунта при изменении вертикальной нагрузки и давления воздуха; 2) оценка влияния цикличности нагружения (т.е. количества проходов колеса по фиксированной колее) на изменение глубины колеи; 3) оценка влияния угла увода управляемого колеса на реализуемый крутящий момент при варьировании вертикальной нагрузки и физического состояния грунтового массива по влажности и плотности. Рис. 1. Конструкция стенда модели МГИУ [1]: 1 - грунтовой канал; 2 - тележка; 3 - грунт; 4 - балка; 5 - колесо; 6 - подвеска; 7 - гидротрансмиссия; 8 - ременная передача; 9 - электродвигатель; 10 - рулевая тяга Рис. 2. Конструкция стенда СКБ ЗИЛ [2]: 1 - рама; 2 - шарнир; 3 - замыкающее звено; 4 - тягач; 5 - испытуемое колесо; 6 - ось (выполнена в виде тензобалки); 7 - приводной двигатель; 8 - грузы; 9 - тяговая цепь Основные результаты экспериментальных исследований, которые проводились на стенде СКБ ЗИЛ в полевых условиях: 1) определение тягового и тормозного моментов в ведущем или тормозном режимах на испытуемом колесном или гусеничном движителе на различных типах грунтов; 2) определение параметров колеи при различных скоростях движения экспериментального комплекса на различных типах грунтов. Таким образом, разрабатываемый стенд призван помочь решать задачи актуальные в области проектирования колесного движителя внедорожных машин и обеспечить проведение лабораторного практикума студентов, магистров и аспирантов кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Особые характеристики разрабатываемого грунтового канала Свободная площадь лаборатории позволяет выделить под грунтовой канал прямоугольный участок длинной 7 м и шириной 2,6 м. Высота грунтового массива в металлической ванне 1,2 м. Одним из основных требований к рабочей части грунтового канала является его максимальная длина при максимально большой размерности шины, позволяющей обеспечить имитацию реальных условий взаимодействия колеса и грунта. В качестве объекта испытаний выбрана шина 215/65 R16 98H. Свободный радиус этой шины в сборе с активным колесом 0,34 м. По длине канала колесо при движении может совершить 3 полных оборота без учета его возможного буксования. Поэтому для обеспечения равномерного движения необходимо предусмотреть специальную конструкцию опорной площадки, с которой обеспечивается старт колеса без потери времени на его разгон. Предполагается, что в экспериментах будет оцениваться влияние давления воздуха в шинах рw (при его варьировании в интервале 0,1…0,25 МПа) на колееобразование. Вес модуля колеса с редуктором составляет 150 кг, дополнительно предполагается варьирование вертикальной нагрузкой на колесо Pz до 300 кг. В качестве грунтового массива используется просеянный песок, который в большей части экспериментов представляет собой деформирующуюся опорную поверхность (ДОП) в виде несвязанного грунта [3]. Его влажность в сухом состоянии не должна превышать Wотн = 5%. Имитация ДОП в виде связанного грунта будет производиться путем увлажнения песка до Wотн= 20%. Известно, что песок во влажном состоянии проявляет сцепные свойства (как в грунтовом массиве, так и при контакте с шиной) как связанный грунт [3]. Плотность грунта регулируется специальным рыхлением, предполагается разработать приспособление для механизации этого трудоемкого процесса. Выбор схемы активного модуля стенда В качестве активного модуля разрабатываемого стенда в грунтовой канал предполагается установить рамную конструкцию с колесом в центре. На рис. 3 представлена принципиальная 3D модель этого ключевого узла комплекса. В движение модуль приводит электромотор-редуктор, установленный на одном валу с колесом. Внутренняя рамка с колесом имеет возможность поворачиваться относительно вертикальной оси модуля на фиксированные углы с задаваемым шагом. Таким образом, появляется возможность имитировать криволинейное движение пневматического колеса на деформируемом грунте. В качестве измерительного звена разрабатывается конструкция тензоступицы, шарнирно соединенной с ободом колеса. В конструкции модуля также учитывается возможность изменения вертикальной нагрузки на колесо и давления воздуха в шине. Рис. 3. Конструкция основного модуля стенда «Грунтовой канал»: 1 - рама модуля «активное колесо»; 2 - нагружающее устройство; 3 - направляющие и опоры модуля; 4 - электродвигатель; 5 - задавливающее устройство для регистрации деформативных свойств грунта Для исследования несущей способности грунта на раме устанавливается задавливающее устройство с регистрирующей аппаратурой, позволяющей оценивать физико-механическое состояние грунта на базе диаграммы q = f(z), где q - давление в пятне контакта штампа с грунтом, z - вертикальная координата штампа [4]. Для исследования несущей способности грунта на раме устанавливается задавливающее устройство, состоящее из пневмо-(гидро) цилиндра, к штоку которого через регистрирующую аппаратуру крепится пята, по площади соответствующая пятну контакта реального колеса. На рис. 3 приведена 3D модель проектируемого стенда. Обеспечение скоростного и силового режимов эффективного движения активного колеса Выбор номинальной мощности асинхронного двигателя, который активизирует движение активного модуля можно провести на базе анализа уравнения мощностного баланса колеса. Как уже выше упоминалось, в отличие от известных стендов, разрабатываемый комплекс призван решать задачи, связанные с внутренней механикой системы «шина - грунт». Поэтому, прогнозируя основные составляющие потерь на сопротивление качению активного колеса, в расчетах выделим составляющие на сопротивление шины и грунта качению, буксование колеса при максимальном его значении и сопротивление боковому уводу. Так как движение колеса будет имитировать и прямолинейное и криволинейное движения при скорости около 0,7 м/с в тяжелых ДГУ (глубокий сухой неплотный песок, влажный песок при максимальной весовой нагрузке Рz ), уравнение будет иметь следующий упрощенный вид: Nдв ηтр= Nfш + Nfг + Ns + Nj +Nу , где Nfш = 0,1 кВт - сопротивление шины качению; Nfг = 1 кВт - сопротивление грунта качению (при максимальном значении силы Рz); Ns = 1 кВт - буксование (экстремальные значения); Nj = 0,2 кВт - на разгон колеса; Nу = 0,5 кВт - на боковой увод. Ожидаемые численные значения мощностных потерь на качение определены приблизительно по результатам исследований и расчетов других авторов [5]. Для решения задач, поставленных перед разрабатываемым стендом, выбирается асинхронный двигатель номинальной мощностью 3 кВт (АИР 90L2). Паспортные данные: n1 =300 рад/с; Рн = 3 кВт; nн = 285 рад/с; η = 83,4 %; cos φ = 0,86; Mmaх /Mн = 2,3. Для сравнения результатов экспериментов и расчетного моделирования в контактных задачах «шина - грунт» необходимо предварительно провести расчет механической характеристики электродвигателя [6]. В силовой модуль входят электродвигатель и редуктор. Для редуктора по задаваемой максимальной скорости движения активного колеса определяется передаточное число. Предполагается использование двухрядного планетарного редуктора с передаточным числом i=25. Механическая характеристика электродвигателя Номинальный крутящий момент двигателя: Мн = 9,55 Рн /nп; Мн =10,07 Н∙м. Номинальное скольжение: . Критическое скольжение и крутящий момент: ; . Крутящие моменты для заданных значений скольжений (зависимость M = f(S) представлена на рис. 4). . Частота вращения: . Рис. 4. Зависимость крутящего момента на валу электродвигателя от магнитного скольжения M = f(S) График механической характеристики электродвигателя n = f(M) представлен на рис. 5. Рис. 5. Механическая характеристика электродвигателя Комплекс измерительного оборудования для оценки физико-механического состояния грунта Отличительной чертой создаваемого грунтового канала является создание комплекса измерительного оборудования, с помощью которого предполагается контролировать состояние грунтового массива и обеспечивать его задаваемые деформативные свойства. Известно [4], что физическое состояние грунта определяется его плотностью и влажностью. Поэтому для оценки этих параметров используется плотномер-влагомер Ковалева (рис. 6). Для определения модуля деформации грунта используется модернизированная оригинальная конструкция ручного пенетрометра МГИУ с набором штампов (рис. 7). Угол внутреннего трения и внутреннего сцепления в грунте, коэффициент сопротивления движению и удельное сопротивление грунта срезу определялись с помощью универсального пенетрометра ВСЕГИНГЕО. С помощью этих приборов по известным методикам определяются конкретные значения независимых параметров грунта: Е - модуль деформации; МПа, - угол внутреннего трения, град; - внутреннее сцепление в грунте, МПа [3]. Рис. 6. Плотномер-влагомер Ковалева: 1 - крышка; 2 - футляр-ведро; 3 - зажимы; 4 - нож-шпатель; 5 - поплавок; 6 - дно; 7 - зажимы; 8 - мерная трубка; 9 - камера мерной трубки; 10 - крышка; 11 - режущее кольцо; 12 - подвесной сосуд; 13 - балансирный конус Васильева Рис. 7. Ручной пенетрометр Выводы 1. Разрабатываемый комплекс «грунтовой канал - активное колесо» позволит эффективно решать задачи лабораторного практикума, связанные с учебным процессом по целому ряду дисциплин и научным исследованиям специальности 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины. 2. Использование принципа работы стенда - проведение научных исследований на основе одновременной оценки силового нагружения активного колеса и изменения его эксплуатационных параметров при измерительном контроле состояния грунта. Этот принцип позволит уточнить теорию прогнозирования параметров проходимости колесных машин на стадии их проектирования. 3. Появилась возможность сертифицировать процесс оценки взаимовлияния эксплуатационных параметров автомобильного колеса (нормальная нагрузка, крутящий момент, давление воздуха в шине, режим движения) и физико-механического состояния грунта. Эта задача является самой трудной и практически нерешенной проблемой, объединяющей процессы: проектирования, моделирования и эксперимента в механической системе взаимодействия «шина - грунт».

About the authors

N. S Vol'skaya

Bauman MSTU

Dr.Eng.

A. Yu Zakharov

Bauman MSTU

Email: zakharov-al@mail.ru
Ph.D.

M. M Anisimov

Bauman MSTU

References

Supplementary files