Обоснование критерия эффективности маневренности автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой

УДК 621.878.25

ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАНЕВРЕННОСТИ АВТОГРЕЙДЕРА С ШАРНИРНО-СОЧЛЕНЕННОЙ РАМОЙ

А. А. Портнова

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ), Россия, г. Омск

Аннотация. Статья посвящена обоснованию критерия эффективности маневренности автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой. Затрагиваются вопросы об условиях поворота автогрейдера, которые во многом определяются размерами автомобильных дорог. Показана необходимость движения автогрейдера по дорогам, при условии, чтобы передние и задние колеса проходили по одной колее. Приведены некоторые экспериментальные исследования, по которым выбирается оптимальный критерий эффективности маневренности автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.

Ключевые слова: автогрейдер с шарнирно-сочлененной рамой, критерий эффективности, целевая функция, маневренность, минимальный радиус поворота.

Введение

Важным этапом при расчете параметров автогрейдеров (АГ) с шарнирно-сочлененной рамой (ШСР) и при решении задач оптимизации его параметров является обоснование критериев эффективности [1].

При решении инженерных задач часто требуется сравнение нескольких вариантов решения и выбора среди них наилучшего. Применение нерациональных решений влечет за собой существенные потери. В таких случаях вводится критерий эффективности, экстремальное значение которого характеризует свойство одного из наиболее важных технико-экономических показателей проектируемого устройства [1].

Эффективность устройства может быть установлена на каждом из следующих этапов жизненного цикла изделия [2]:

1. Предпроектный этап и проектный этап, когда создаются чертежи машин;

2. Этап эксплуатации, когда машина серийного производства эксплуатируется в различных условиях.

Выявление критериев эффективности и определение оптимального критерия

Известно, что АГ является длиннобазовой землеройно-транспортной машиной (ЗТМ), и в транспортировке такой машины по городу возникают определенные трудности. Ширина проезжей части, в зависимости от категории дороги, принимается в соответствии с ГОСТ 52398 - 2005. Классификация автомобильных дорог. Наименьшее количество полос движения в обоих направлениях для проезжих частей скоростных дорог и магистральных улиц - 4 полосы и более, для жилых улиц - 2 полосы [3].

В соответствии с ГОСТ 52399 - 2005. Геометрические элементы автомобильных дорог, ширина одной полосы проезжей части для автомагистралей и скоростных дорог принята 3,75 м, для дорог обычного типа категории 1В - IV ширина одной полосы составляет от 3,0 до 3,75 м, для дорог обычного типа V категории - от 4,5 м.

Вписываемость длиннобазовых ЗТМ в повороты на городских дорогах на сегодняшний день является одной из важных проблем маневренности. Более того, в настоящее время на АГ, оснащенных ШСР, при транспортировке не используется возможность складывания хребтовой рамы. ШСР предназначена только для рабочих операций и управляется отдельным от рулевого управления устройством.

На рисунке 1 представлены различные варианты возможного поворота АГ с передними поворотными колесами (а), с поворотной ШСР (б) и с поворотными передними колесами и поворотной ШСР (в). Важно, чтобы АГ имел возможность совершать повороты с минимальным радиусом для передвижения по городским дорогам, а также немаловажным является движение передних и задних колес по одной колее, чтобы не создавались трудности в передвижении находящегося вблизи транспорта, и исключалась возможность задеть его выступающими частями АГ. Из рисунков видно, что наименьший радиус поворота АГ и наименьшая ширина габаритного коридора возможны в случае, когда АГ имеет поворотные передние колеса и поворотную ШСР (в). Следовательно, АГ с поворотными передними колесами и поворотной ШСР будет являться наиболее маневренным.

Рис. 1. Траектории и радиусы поворота автогрейдера а) с неповоротной рамой и поворотными передними колесами; б) с поворотной рамой и неповоротными передними колесами; в) с поворотной рамой и поворотными передними колесами

Под критерием эффективности будем понимать такой параметр, который может характеризовать маневренность АГ, а именно возможность совершения АГ разворота с минимальным радиусом при существующих стандартах размеров городских дорог. Основным требованием к выбору критерия эффективности является его

информативность. К числу таких критериев эффективности могут быть отнесены: радиус поворота - Rп; отношение радиуса поворота АГ к длине базы АГ - Rп / Lб; коэффициент базы АГ - Кб (отношение расстояние от оси переднего моста до оси шарнира сочленения хребтовой и моторной рам к расстоянию между передней осью и осью качания балансиров задней тележки).

При определении влияния коэффициента базы на минимальный радиус поворота был проведен эксперимент, в котором для каждого

значения коэффициента базы определялся минимальный радиус поворота [4, 5, 6].

Зависимость Rm¡n = ^Кб) была аппроксимирована с помощью полинома второй степени с коэффициентом детерминации R2 = 0,99 и относительной погрешностью б не более 2,2 %:

Rmm = 11,2  К^-22,12 • Кб +16,99 .

Из рисунка 2 видно, что зависимость Rm¡n = ^Кб) имеет гиперболический характер, и при изменении Кб на 50 % минимальный радиус поворота изменяет свою величину на = 29 %. Результаты экспериментальных

исследований показали, что Кб не существенно влияет на величину минимального радиуса, что позволяет сделать вывод о недостаточной информативности Кб и нецелесообразности его использования в качестве критерия эффективности.

Проведены экспериментальные

исследования по определению отношения минимального радиуса поворота к длине базы АГ в зависимости от длины базы при фиксированных значениях коэффициента базы [4, 5, 6].

График полученной функции (рисунок 3) был аппроксимирован полиномиальным методом многочленом второй степени с коэффициентом детерминации R2 = 0,98 и максимальной относительной

погрешностью б = 0,6617%.

Уравнение кривой записывается следующим образом:

Rmm /L6 = 0,0094 • ¿6-0,1365 • L6 +1,619 .

Критерий эффективности равный отношению минимального радиуса поворота к длине базы АГ также имеет гиперболический характер, и при изменении длины базы АГ почти в 2 раза этот показатель изменяется на 8

- 9 %, что опять же не является информативным и не может служить критерием эффективности криволинейного движения АГ.

Наиболее информативной является зависимость минимального радиуса поворота от длины базы АГ. Экспериментально определено, что при возрастании длины базы почти на 50 %, при фиксированном коэффициенте базы величина минимального радиуса поворота возрастает линейно приблизительно на 50 % и, следовательно, может характеризовать маневренность машины [5, 6].

На рисунке 4 показана зависимость Rm¡n = f ^б). Данная зависимость была аппроксимирована линейным уравнением с коэффициентом детерминации R2 = 0,99 и максимальной относительной погрешностью б = 1 %:

Rmln = 0,9991 • Ь6 + 0,863 .

R,

9

,, м 8,5

8

7,5

7

6,5

6

5,5

5

г

¿6 - 5,9 -----

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Кб

Рис. 2. Экспериментальная зависимость Итп = 1 (Кб) и аппроксимирующая кривая

1,24 1,22 1,2 1,18 1,16 1,14 1,12 1,1

1

г~------ » т6"-"0;?"

4,5

5,5

6,5

7,5 ¿6, м 8

Рис. 3. Графическое представление зависимости Ятт Ш = 1 ^б) и аппроксимирующая кривая

1

4

5

6

7

Рис. 4. Экспериментальная зависимость = f (Lб) и аппроксимирующая кривая

Таким образом, в предложенной работе критерием эффективности предлагается выбрать минимальный радиус поворота АГ с ШСР:

К „ « т1п "

Согласно поставленной проблеме повышения маневренности АГ в стесненных условиях, можно сформулировать целевую функцию и ее направление, которое будет указывать, в каком смысле решение должно быть оптимальным:

К ^¡п « ) ЬЫп .

Ширина габаритного коридора (Б*, м), под которой понимается ширина опорной поверхности, ограниченная проекциями на нее траекторий крайних выступающих точек АГ [7], не должна превышать ширину колеи АГ (Ьк, м), то есть необходимо обеспечить поворот АГ при наименьшей ширине габаритного коридора движения колес АГ. Это условие будет служить ограничением:

Б , -Ь * .

Также необходимо указать граничные значения варьируемых конструктивных параметров АГ, которые непосредственно будут влиять на радиус поворота - это угол поворота передних управляемых колес (а), угол складывания ШСР (в), длина базы АГ ^б). Таким образом, границы варьирования углов поворота колес и складывания ШСР [8, 9]:

0° < а < 45°;

0° < в < 40°.

Границы варьирования длины базы АГ [10]:

4 м < Lб < 7,5 м.

Таким образом, выражение (1) задает критерий эффективности, выражение (2) -целевую функцию и ее направление, выражения (3...6) задают граничные условия и ограничения криволинейного движения АГ с ШСР.

Заключение

Полученные зависимости (1.6) выявлены для дальнейших исследований криволинейного движения АГ с ШСР и позволят определить наиболее приоритетную конструкцию АГ для осуществления поворота с минимальным радиусом и разработать устройство управления АГ с ШСР, позволяющее использовать складывание хребтовой рамы при транспортировке.

Библиографический список

1. Щербаков, В. С. Оптимизация конструктивных параметров гидравлических рулевых механизмов строительных и дорожных машин: Монография / В. С. Щербаков, А. В. Жданов. - Омск: СибАДИ, 2010. - 176 с.

2. Щербаков, В. С. Совершенствование объемных гидроприводов рулевого управления дорожно-строительных машин: Монография / В. С. Щербаков, Ш. К. Мукушев, А. В. Жданов. - Омск: СибАДИ , 2007. - 203с.

3. СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги [Текст]. - Утв. приказом Министерства регионального развития Российской Федерации (Минрегион России) от 30.06.12 г. № 266. Введ. 01.07.13 г.

4. Портнова, А А. Результаты экспериментальных исследований физической модели автогрейдера / А А. Портнова, Е. Д. Комаров // Вестник СибАДИ. -2013. - № 6 (34). - С. 87 - 91.

5. Портнова, А. А. Зависимость между углами поворота передних управляемых колес и шарнирно-сочлененной рамы автогрейдера / А. А. Портнова // Омский научный вестник. - Омск: ОмГТУ, 2013. - № 3 (123). - С. 157 - 159.

6. Портнова, А. А. Результаты экспериментальных исследований зависимостей угла поворота шарнирно-сочлененной рамы и радиуса поворота автогрейдера от угла поворота передних управляемых колес / А. А. Портнова // Вестник ИрГТУ. - 2014. - №. 3(86). - С. 50 - 55.

7. Вишняков, Н. Н. Автомобиль: Основы конструкции: Учебник для вузов по спец-ти «Автомобили и автомобильное хозяйство» / Н. Н. Вишняков, В. К. Вахламов, А. Н. Нарбут и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. 206 с.

8. Автогрейдер ДЗ-122 Б [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www. lider74. ru/Sections-articlel -p1. html

9. Малютин Л. Автогрейдеры: совершенству нет предела / Л. Малютин // Основные средства. -М.: ЗАО «РИА «Росбизнесс», 2004. - №2. - Режим доступа: http: // www.os1.ru/ article/excavation_equipment/2004_02_A_2004_11_3 0-13_46_45/ (дата обращения: 16.06.2014).

10. Автогрейдер Komatsu GD825A-2 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.inter-ts. ru/komatsu/gd825a-2. pdf

JUSTIFYING A CRITERION OF EFFICIENCY OF MOTOR-DRIVEN GRADER'S MANEUVERABILITY WITH STEERING FRAME

A. A. Portnova

Abstract. The article is devoted to justifying a criterion of efficiency of motor-driven grader's maneuverability with steering frame. It deals with issues related to conditions of motor-driven grader's turn, which in many respects are determined by the sizes of motor roads. There is shown a need of movement of motor-driven grader along roads on condition that front and back wheels passing along one track. The optimal criterion of efficiency of motor-driven grader's maneuverability with steering frame is selected by some experimental researches, which are presented in this paper.

Keywords: motor-driven grader with steering frame, criterion of efficiency, objective function, maneuverability, minimal radius of turn

References

1. Scherbakov V. S., Zdanov А. V., Optimization of design data of hydraulic steering mechanisms of construction and road cars [Optimization of structural parameters of hydraulic steering devices of construction and road machines]. Omsk, SibADI, 2010, 176 p.

2. Scherbakov V. S., Mukushev S. К., Zdanov А. V. Sovershenstvovanie obemnyx gidroprivodov

rulevogo upravleniya dorozhno-stroitelnyx mashin [Improving the volumetric hydraulic drives of steering of road-building machines]. Omsk, SibADI, 2007, 203 p.

3. SNIP 2.05.02-85. Highways. Approved. Order of the Ministry of Regional Development of the Russian Federation (Russian Ministry of Regional Development) from 30.06.12 № 266. Enter. 01.07.13

4. Portnova А. А., Komarov Е. D. Rezultaty eksperimentalnyx issledovanij fizicheskoj modeli avtogrejdera [Results of experimental researches of the motor-driven grader's physical model]. Vestnik SibADI, 2013, № 6(34), pp. 87-91.

5. Portnova А. А. Zavisimost mezhdu uglami povorota perednix upravlyaemyx koles i sharnirno-sochlenennoj ramy avtogrejdera [The dependence between angles of front steerable wheels' turn and motor-driven grader's steering frame]. Omskij nauchnyj vestnik, 2013, № 3 (123), pp.157-159.

6. Portnova А. А. Rezultaty eksperimentalnyx issledovanij zavisimostej ugla povorota sharnirno-sochlenennoj ramy i radiusa povorota avtogrejdera ot ugla povorota perednix upravlyaemyx koles [The results of experimental researches of the dependences of angles of steering frame's turn and radius of motor-driven grader's turn on angle of front steerable wheels' turn]. Vestnik IrSTU, 2014, 3(86), pp. 50 - 55.

7. Vishnyakov N. N., Vakhlamov V. К., Narbut А. N. Automobile: Fundamentals of design: Textbook for high schools in Automobiles and automobile industry. Moscow, Mashinostroenie, 1986, 206 p.

8. Avtogrejder DZ-122 B [Motor grader DZ-122 B]. Available at: http://www.lider74.ru/Sections-article1-p1.html

9. Malutin L. Avtogrejdery: sovershenstvu net predela [Motor graders: there is no limit]. Osnovnye sredstva, Moscow, 2004, № 2, pp.

10. Avtogrejder Komatsu GD825A-2 [Motor-driven grader Komatsu GD825A-2]. Available at: http://www.inter-ts. ru/komatsu/gd825a-2. pdf

Портнова Александра Андреевна (Омск, Россия) - аспирант Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). (644080, Россия, г. Омск, пр. Мира 5 e-mail: portnova. a. mail@gmail. com).

Portnova A. A. (Russian Federation, Omsk) -postgraduate student The Siberian automobile and highway academy (SIBADI) (644080, Omsk, Mira 5. email: portnova.a.mail@gmail.com).