Экспериментальные исследования энергетических потерь мощности в пневматических шинах колёсных транспортных средств

значения теплового потока, который пропускается внутрь башни.

Коэффициент К — отношение теплового потока, определяемого тепловым сопротивлением башни (слой льда — стенка башни — атмосферный воздух, зависит в основном от нарастающего слоя льда) к значению теплового потока от замерзания всего пристеночного слоя воды. При толщине льда 5, из-за увеличения теплового сопротивления слоя льда замерзнет часть пристеночного слоя воды толщиной 5, равная К

K =

К

= f (8, ).

Дт,=

2

S

Выражение

Следует указать, что масса льда на погонный метр в час зависит только от смачиваемого периметра бака. Масса льда за один час (при стабильной ветровой нагрузке и стабильном геотермальном напоре) формализована выражением:

M = Ь8Л Р

L L

* 1 + \

Тепловое сопротивление стенки башни учитывать нецелесообразно, так как погрешность такого допущения невелика. Время образования льда при частичном намерзании определяется значением коэффициента К, поскольку каждая порция воды толщиной 5, ежесекундно протекающая по поверхности льда, доля которого, равная К, остаётся на поверхности льда. Следовательно, время ДтI нарастания слоя льда (5,. — 5м), при его толщине 5,, превышающей 5л, достоверно описывается аналитическим пролонгированием зависимости (8):

В итоге математических преобразований посредством модельной функции выявлен базовый принцип процесса льдообразования в буферных водонапорных ёмкостях, определяющий реализацию сегментных составляющих (геотермальную и ветровую) в общем балансе потребления и распределения энергии для повышения функциональной устойчивости технологических систем дискретного водораспределения. Используя численный ряд значений коэффициента замерзания воды на рассматриваемой длине бака (например, по удельному периоду в один час), зависящего от толщины пристеночного слоя,

MjL :

m Т

36008.

является поисковым для

среднего значения коэффициента К на участке льда (5,— 5м). Варьируя значениями толщины льда 5,, определяли массу льда при заданной длине поверхности льда ЬI за время замерзания воды:

I. = и т.

1 ср

можно разрабатывать методическое обеспечение для алгоритмирования проектных процедур по созданию оптимальных форм водонапорных башен, специализированного энергопреобразующего и контрольно-предохранительного оборудования, включая лабораторно-опытные образцы.

Литература

1. Асманкин Е.М. Использование низкопотенциальной энергии для предотвращения льдообразования в металлических водонапорных башнях / Е.М. Асманкин, М.Б. Фомин, А.Б. Рязанов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2015. № 6. С. 7-28.

2. Луканин В.Н. Теплотехника. М.: Высшая школа, 2006.

3. Рязанов А.Б. Исследование динамики охлаждения воды в водонапорной башне Рожновского // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2011. № 1 (29). С. 50-51.

Экспериментальные исследования энергетических потерь мощности в пневматических шинах колёсных транспортных средств

Ю.Г. Горшков, д.т.н, профессор, А.А. Калугин, к.т.н., И.С. Житенко, к.т.н., И.Н. Старунова, к.т.н., С.В. Золотых,

к.т.н, ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ

Процесс движения колёсных машин осуществляется за счёт взаимодействия пневматического колёсного движителя с опорной поверхностью, поэтому этот тип взаимодействия вызывает значительные энергетические потери мощности, характеризующие экономичность машины, её тягово-сцепные свойства и проходимость.

В настоящее время колёсные машины оборудуются пневматическими движителями, обеспечи-

вающими качение машины в основном без учёта специфики их работы, что в значительной степени отражается на экономичности и производительности технологических и транспортных машин [1].

Пневматические шины и колёса являются весьма ответственной и дорогостоящей частью колёсной машины, оказывающей непосредственное влияние на динамику, плавность хода, тяговые свойства, проходимость и др. [2, 3].

В сельскохозяйственном производстве такие колёсные машины, как тракторы, зерноуборочные и кормоуборочные комбайны, мелиоративные и дорожно-строительные машины, используют-

ся преимущественно с шинами повышенной и высокой проходимости, так как им приходится двигаться от 65 до 95% времени по поверхностям с малой несущей способностью, и лишь 5—35% — по поверхностям с высокой несущей способностью. У такого типа шин развитые грунтозацепы и расчленённый рисунок протектора, что позволяет выполнять заданные им функции: проходимость, реализация тяговых свойств колёсной машины и т.д.

На дорогах с высокой несущей способностью шины повышенной и высокой проходимости неэффективны с точки зрения их экономичности, так как на гистерезисные потери в них (радиальная деформация шин) затрачивается от 10 до 35% мощности двигателя [1]. Снижение давления в шинах до допустимых пределов ещё больше увеличивает затраты мощности двигателя на деформацию шин в радиальном и тангенциальном отношении [3, 4].

Кроме того, в условиях дорог с малой несущей способностью от 25 до 30% шин указанного типа преждевременно выходит из строя из-за нарушения норм давления в шинах, интенсивного износа при разгоне и торможении, длительного буксования, больших динамических перегрузок, проколов и ударов о неподвижное препятствие и др. [5].

Основная масса грузовых и специальных автомобилей (до 93—95%) оборудована шинами с универсальным рисунком протектора. Однако эффективность работы этого движителя ограничена довольно узкими возможностями их использования, а именно — на дорогах с высокой несущей способностью и мягких сухих или слегка увлажнённых грунтах. Размытые полевые и грунтовые дороги и бездорожье, снежные заносы, заболоченные участки с дерновым покровом могут представлять для них непреодолимую преграду, когда машина полностью прекращает движение или скорость становится относительно небольшой вследствие интенсивного буксования. В таких условиях движения шины с универсальным рисунком протектора забиваются («засаливаются») грунтом и эффективность их работы снижается до минимума [6]. В сельскохозяйственном производстве грузовые и специальные машины используются от 30 до 40% на мягких грунтах (на поверхностях с малой несущей способностью).

Величина потерь на качение является существенной характеристикой шины, как с точки зрения влияния шины на динамику и экономичность колёсной машины, так и с точки зрения её безопасности и ресурса работы [3, 6, 7]. Известно, что основными причинами возникновения сопротивления качению являются следующие факторы: внутренние потери энергии шины при её непрерывном качении (гистерезисные потери) в зонах деформирования и восстановления её профиля (до 90%); потери энергии при скольжении шины по поверхности дороги (5—9%); потери энергии из-за аэродинамического сопротивления, возникающие

при вращении шины, составляющие 1—5% всех потерь. Влияние этих факторов непостоянно и изменяется в зависимости от скорости движения машины, условий её торможения и дорожных условий [8].

В процессе качения колеса шина деформируется под воздействием различных непрерывно изменяющихся сил, которые вызывают многократные деформации её элементов. Эти деформации сопровождаются большими потерями энергии, вследствие чего шина значительно нагревается и изменяет свои основные свойства (упругость, деформативность, противостояние действию механических нагрузок и т.п.). Поскольку потери на качение шины связаны в основном с потерями на внутреннее трение в резине и корде, их величина зависит от свойств этих материалов и от величин испытываемых ими деформаций [1, 3, 4].

Нагрев пневматической шины способствует повышению в ней внутреннего давления, что приводит к уменьшению площади контакта шины с дорогой и обусловливает некоторое снижение коэффициента сцепления и динамических качеств машины. В связи с этим величина потерь мощности на качение пневматической шины, особенно при увеличивающихся скоростях движения и нагрузках на современные колёсные машины, является одной из характеристик работоспособности шины в условиях эксплуатации.

Деформации элементов шины в реальных условиях в основном вызываются действием вертикальной нагрузки на колесо. Чем чаще и больше деформация шины, тем больше потери мощности на внутреннее трение при движении колёсной машины.

В связи с отсутствием достаточно надёжных методов расчёта усилий и деформаций, возникающих в элементах шины при её качении, большое практическое значение имеет экспериментальное исследование этих деформаций. Результаты такого исследования позволяют выявить реальные режимы работы пневматических шин, а исследования величин деформаций элементов шин могут быть использованы при сравнительной оценке шин различных конструкций.

Измерение деформаций элементов шин (гистерезиса) связано с значительными затруднениями и, как правило, проводится на стендовом оборудовании, без учёта реальных условий качения шины. Для исследования интенсивности деформаций шин на различных несущих поверхностях необходимо специальное оборудование.

Аналоговых приборов и способов для измерения давления воздуха в шине в статическом состоянии имеется достаточно много. Однако автоматические электронные приборы для исследования деформаций шины при качении колеса практически отсутствуют [1, 6].

Материал и методы исследования. В ранее опубликованных работах авторами была представлена

конструкция электронного прибора, с помощью которого можно исследовать радиальную деформацию шины в контакте с несущей поверхностью [6]. Общая принципиальная схема прибора приведена на рисунке 1.

Работа данного устройства основана на том, что при увеличении нагрузки на колесо в результате деформации шины её внутренний объём уменьшается [6, 9]. Так как количество воздуха в шине остаётся постоянным, то уменьшение объёма шины приводит к повышению давления воздуха в ней.

С помощью разработанного прибора были исследованы изменения вертикальной деформации

(прогиба) пневматических шин в течение пробега автомобиля ЗИЛ-433360 по испытательному участку. Автомобиль оборудовался поочередно комплектом шин 9,00Я20 (260Я508) марки И-Н142Б-1 с универсальным рисунком протектора, а также комплектом шин М-93 12Я20 135F с рисунком протектора повышенной проходимости.

При наличии эмпирических данных по изменению и распределению величин вертикальной деформации в шине можно определить её среднюю величину за пробег й2(ср) для каждого колеса автомобиля и на основе этого получить значения колебания нагрузки 0К, приходящейся на каждое из колёс автомобиля при пробеге, что позволит произвести подсчёт гистерезисных потерь мощности на качение шин. С помощью компьютерного анализа электронных диаграмм были получены средние значения вертикальной деформации кг(ср) для каждого опыта с различным типом исследуемых шин. Для определения колебаний нагрузки в процессе качения колёс была использована преобразованная согласно исследуемым переменным формула Р. Хедекеля [10], так как её целесообразно использовать в практических расчётах для заданных давлений воздуха в шинах не ниже 0,18 МПа:

Ок (ср ) ^'пер/зад^г(ср)^ ,

где ) — средняя весовая нагрузка, приходящаяся на колесо, за опытный пробег автомобиля, кН; Рпер/заа — давление воздуха в шине (передней/ задней), МПа;

Кср) — средняя величина вертикальной деформации шины, полученная опытным путём, мм; В — ширина профиля исследуемой шины, м; Б — наружный диаметр исследуемой шины, м.

Данные по средней весовой нагрузке на колёса ) за пробег, определённые по выражению (1), а также величины коэффициента сопротивления перекатыванию / (определённые путём динамоме-трирования автомобиля) были использованы для непосредственного подсчёта величины гистерезис-ных потерь энергии в шинах по выражению (2):

N =1  О^, Вт,

где / — коэффициент сопротивления перекатыванию;

вк(ср) — суммарная нагрузка на колесо, Н; ук — линейная скорость движения оси исследуемого колеса, км/ч.

Результаты исследования. На основе экстраполяции экспериментальных и расчётных данных были построены графики изменения величины гистерезисных потерь энергии в зависимости от вертикальной деформации в шинах.

На рисунках 2 и 3 приведены отдельные графические зависимости, иллюстрирующие картину распределения гистерезисных потерь энергии в исследованных типах пневматических шин (с универсальным рисунком протектора и рисунком протектора повышенной проходимости).

Анализируя данные, представленные графиками (рис. 2, 3), можно сделать вывод, что гистерезисные потери мощности в шинах с рисунком протекто-

12 14

а) б)

Рис. 1 - а) общая принципиальная схема электронного прибора для исследования энергетических потерь мощности в пневматической шине:

1 - воздуховод; 2 - вентиль; 3 - измерительная мембрана; 4 - шток; 5 - фланец; 6 - корпус прибора; 7 - разъём крепления крышки и корпуса; 8 - блок электронного преобразователя; 9 - корпус рычажного тензопреобразо-вателя; 10 - корпус сенсорного блока датчика; 11 - рычажный механизм; 12 - резиновая прокладка; б) общий вид прибора

ра повышенной проходимости в целом выше на 11—14%, чем в шинах с универсальным рисунком протектора. Экспериментальными исследованиями также установлено, что указанная пропорция справедлива как для гружёного, так и негружёного автомобиля ЗИЛ-433360.

При этом разница в потерях, приходящихся на колёса переднего и заднего мостов, составляет порядка 7—9%.

Анализ графиков также указывает на то, что суммарные абсолютные потери в шинах с рисунком протектора повышенной проходимости выше на 7—10%, чем в шинах с универсальным рисунком протектора.

Выводы. Полученные данные свидетельствуют о том, что в данном случае нельзя говорить об удовлетворительном соответствии шин М-93 12Я20 135F существующим условиям эксплуатации (опытный пробег осуществлялся по асфальтобетонному покрытию).

С точки зрения безопасности труда уровень гистерезисных потерь оказывает непосредственное влияние на безаварийную эксплуатацию машин. Это обусловлено тем, что, чем выше уровень

гистерезисных потерь, тем выше температура конструктивных элементов шины и тем в большей степени она подвержена разрушению (расслоение каркаса, отделение нитей корда от резины, разрыв каркаса и др.). Это может привести к выходу шины из строя непосредственно в процессе эксплуатации, что может являться причиной тяжёлых дорожно-транспортных происшествий.

Можно сделать вывод, что, чем выше величина гистерезисных потерь Ыг, тем больше и общий показатель энергетических потерь при качении колеса. Необходимо также отметить, что полученные данные коррелируют и с результатами других исследователей [7, 8].

Учитывая вышеизложенное, можно заключить, что эффективное и безопасное использование шин с универсальным рисунком протектора ограничено поверхностями с высокой несущей способностью, сухими или слегка увлажнёнными грунтами. Но так как значительную часть поверхностей качения в сельскохозяйственном производстве занимают поверхности с невысокой несущей способностью (размытые полевые и грунтовые дороги и бездорожье, снежные заносы, заболоченные участки с

гс. им

60 М 40

за и ю

1 . г' о.»».'. о,оо»ч

• ,_- —-2

Ьх. мм

50 30

^•(.минмт

1 Г .

/ \

( . \ 2-

3

а)

N. кВт

б)

Рис. 2 - Графики зависимости изменения величины гистерезисных потерь энергии от вертикальной деформации в шинах автомобиля ЗИЛ-433360, оборудованного комплектом шин 9,00В.20 (260В.508) марки И-Н142Б-1 с универсальным рисунком протектора:

а) для негружёного автомобиля; б) для гружёного автомобиля: 1 - зависимость величины гистерезисных потерь от вертикальной деформации (прогиба) задних шин левого и правого колёс автомобиля с универсальным рисунком протектора шин; 2 - зависимость величины гистерезисных потерь от вертикальной деформации (прогиба) передних шин левого и правого колёс автомобиля с универсальным рисунком протектора шин

»

Зо 50 10

^---^---

\2

_

50 30

го ю

о

ус 0,0 йк^ецова^о*?»

Г"""

N. кЕ:

а) б)

Рис. 3 - Графики зависимости изменения величины гистерезисных потерь энергии от вертикальной деформации в шинах автомобиля ЗИЛ-433360, оборудованного комплектом шин М-93 12В.20 135F с рисунком протектора повышенной проходимости:

а) для негружёного автомобиля; б) для гружёного автомобиля: 1 - зависимость величины гистерезисных потерь от вертикальной деформации (прогиба) задних шин левого и правого колёс автомобиля с универсальным рисунком протектора шин; 2 - зависимость величины гистерезисных потерь от вертикальной деформации (прогиба) передних шин левого и правого колёс автомобиля с универсальным рисунком протектора шин

дерновым покровом и др.), целесообразно компенсировать наличие шин повышенной проходимости специальными техническими устройствами для повышения тягово-сцепных качеств автотракторной техники [11].

Литература

1. Горшков Ю.Г. Повышение эффективности функционирования системы «дифференциал-пневматический колёсный движитель — несущая поверхность» мобильных машин сельскохозяйственного назначения: дисс. ... докт. техн. наук. Челябинск, 1999. 311 с.

2. Бойков В.П., Белковский В.Н. Шины для тракторов и сельскохозяйственной техники. М.: Агропромиздат, 1988.

3. Бидерман В.Л. и др. Автомобильные шины (конструкция, расчёт, испытание, эксплуатация). М.: Госхимиздат, 1963. 384 с.

4. Новопольский В.И. Экспериментальное исследование потерь на качение автомобильного колеса // Автомобильная и тракторная промышленность. 1954. № 1.

5. Агейкин А.С. Исследование работы шин переменного давления на деформируемом грунте // Проблемы повы-

шения проходимости колёсных машин: сб. ст. АН СССР. М., 1959.

6. Горшков Ю.Г., Калугин А.А. Обоснование и разработка электронного прибора для исследования энергетических потерь в пневматических шинах // Научное обозрение. 2015. № 7. С. 262-271.

7. Ларин А.А., Арефин Ю.В. Исследование деформирования шины при её стационарном прямолинейном качении по дороге // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2011. Вып. 55.

8. Балакина Е.В., Зотов Н.М., Доютов В.А. Общая методика исследования деформаций автомобильной шины с применением фотограмметрии // Молодой учёный. 2015. № 6. С. 120-123.

9. Датчик давления «Метран-100». Руководство по эксплуатации СПГК.5070.000.00 РЭ. Челябинск, 2012.

10. Белковский В.Н. и др. Шины для сельскохозяйственной техники: справочное издание. М.: Химия, 1986.

11. Лимарев А.С. Повышение эффективности производства на основе внедрения инновационной стратегии предприятия / А.С. Лимарев, А.Б. Моллер, Е.Г. Касаткина, С.В. Зотов,

М.М. Константинов, И.Н. Глушков // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2015. № 4 (54). С. 69-72.

Обоснование конструктивно-режимных параметров режущего аппарата двойного среза стеблей с бесконечно несущим приводом

А.П.Ловчиков, д.т.н, профессор, ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ

Для повышения эффективности процесса прямого комбайнирования зерновых культур целесообразно осуществлять двойной срез стеблестоя с образованием промежуточного продукта соломины за счёт использования в комбайновой жатке режущего аппарата, в котором режущие элементы в процессе среза стеблей совершают прямолинейное поступательное движение [1—3].

Цель исследования — установить взаимосвязь между конструктивными и режимными параметрами режущего аппарата. В процессе исследования решали следующие задачи: выявление закономерностей и зависимостей, характеризующих взаимосвязь между конструктивно-режимными параметрами режущего аппарата; определение влияния основных конструктивных параметров на режимы работы режущего аппарата с бесконечно несущим приводом.

Материал и методы исследования. Исследование базируется на общепринятых методических положениях математического анализа.

Результаты исследования. В режущем аппарате с прямолинейным поступательным движением режущих элементов (рис. 1) обеспечивается постоянная скорость резания на всей площади среза и постоянный угол наклона режущих кромок элементов в течение всей фазы резания, что оказывает положительное влияние на качество среза [4]. Кроме того, режущая кромка нагружена одинаково в течение фазы резания, что создаёт благоприятные условия для работы режущего аппарата.

Относительную скорость (¥Р, м) режущего элемента можно определить из выражения [4, 5]:

vp >{vp - v2,

где Укр — критическая скорость резания пшеницы, м/с;

УМ — рабочая скорость зерноуборочного комбайна, м/с.

Режущие элементы

Рис. 1 - Схема режущего аппарата с двойным срезом стеблей

78