Экспериментальное исследование динамических характеристик первого и второго контуров пневматического тормозного привода автомобиля

Эксперимент показал, что повышение температуры масла (в объеме) больше 100-170°С приводит к значительному увеличению износа. Наименьший износ при 145°С установлен для масла ТСЗП-8, наибольший - для масла Б-3В. При увеличении температуры до 145°С износ в среднем увеличивается в 6-7 раз по сравнению с температурой масла 100-110°С.

Температура масла влияет не только на работоспособность зубчатых зацеплений, но и оказывает существенное влияние на другие элементы трансмиссии (подшипники и т.д.). Так, одна из фирм ФРГ запрещает использовать подшипники обычного типа при температуре масла выше 120°С, поскольку при этом их долговечность заметно уменьшается.

В зоне контакта зубьев температура достигает весьма высоких значений 800-900°С и более [4], а объемная температура зубьев шестерни превышает температуру в картере на 25-30% и может превышать температуру низкого отпуска материала детали, что резко снижает прочностные характеристики материала, а следовательно, и долговечности детали.

Для зубчатых колес трансмиссий транспортных машин применяют легированные хромоникелевые марки сталей 12ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 20Х2Н4А -Ш, которые обладают хорошими физико-механическими свойствами (прокаливаемостью при закалке в масле, высокой износостойкостью, прочностью сердцевины) и имеют относительно низкую чувствительность к поверхностным дефектам. Однако указываемые марки сталей не являются термопрочными и при длительной работе в масле с температурой порядка

110-145°С в цементованном слое начинаются структурные изменения, соответствующие среднему отпуску [1], приводящие к снижению твердости поверхности слоя и уменьшению контактной долговечности. Величина среднеобъемной температуры в поверхностном слое не должна превышать критического значения, при котором в цементированном (нитроцементован-ном) слое начинают происходить структурные изменения. По данным некоторых источников [1, 7] допускаемая температура для сталей 12ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА не должна превышать 170°С. Учитывая, что наиболее широко применяемая в трансмиссиях транспортных машин сталь 20Х2Н4А-Ш принадлежит к названному классу, указанные ограничения можно считать справедливыми и для нее. Широко используемые за рубежом стали 3310, 3310М, Е9310 (типы стали 12Х2Н4А, последняя дополнительно легирована молибденом, 0,08-0,3%), стали производства ФРГ 14МЮ10, 14МЮ14, 14NiG18, близкие к выше указанным отечественным сталям, допускают рабочую температуру до150°С.

Из анализа вышесказанного следует, что надежная и эффективная работа элементов трансмиссий существенно зависит от температурного режима. Превышение температуры масла и деталей в агрегатах трансмиссии приведет к быстрому износу и уменьшению долговечности элементов трансмиссии, что является одной из причин, ограничивающих работоспособность механизмов трансмиссии, и может быть причиной преждевременного выхода из строя как отдельных деталей, так и трансмиссии в целом.

1. Марочник сталей и сплавов: справочник / под ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 639 с.

2. Банас И.П., Алексеева Г.М. Современные стали для высо-конагруженных зубчатых колес // Вестник машиностроения. 1985. № 9. С. 12-15.

3. Смазочные материалы / Р.М. Матвеевский [и др.]. М.: Машиностроение, 1989. 217 с.

4. Авиационные зубчатые передачи и редукторы: справочник / под ред. Э.Б. Вулгакова. М.: Машиностроение, 1981. 374 с.

ский список

5. Матвеевский Р.М. Температурная стойкость граничных смазочных слоев и твердых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов. М.: Наука, 1971. 225 с.

6. Махнаткин Э.М., Жучков М.Г. Влияние температуры масла на износ шестерен // ВБТ. 1981. № 2. С. 42-44.

7. Макотрина Л.В., Селех Е.В. Обзор энергоэффективности водонагревающих установок // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2012. № 1. С. 61-69.

8. Molyneux P. Oleodinamica, pneumatica. 1975. Vol. 16 (312). Р. 84-92.

УДК 629.113: 62-592.52

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРВОГО И ВТОРОГО КОНТУРОВ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ТОРМОЗНОГО ПРИВОДА АВТОМОБИЛЯ

1 9

© А.И. Федотов1, Е.М. Портнягин2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова 83.

Изложены результаты экспериментального исследования динамических характеристик контуров автомобильного ПТП с целью разработки методов диагностирования. Приведено подробное описание оборудования и методик

1Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры автомобильного транспорта, тел.: (3952) 405358, e-mail: fai@istu.edu

Fedotov Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automobile Transport, tel.: (3952) 405358, e-mail: fai@istu.edu

2Портнягин Евгений Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, тел.: (3952) 405689, e-mail: v02@istu.edu

Portnyagin Evgeny, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Transport, tel.: (3952) 405689, e-mail: v02@istu.edu

исследования. Доказана возможность и перспективность использования фазовых динамических характеристик контуров автомобильного ПТП для целей их диагностирования. Ил. 9. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: пневматический тормозной привод; контуры; аппараты; диагностика; фазовая динамическая характеристика; автомобиль; экспериментальное исследование; исследовательский комплекс; давление.

EXPERIMENTAL STUDY OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF FIRST AND SECOND CONTOURS OF AUTOMOBILE PNEUMATIC BRAKE DRIVE A.I. Fedotov, E.M. Portnyagin

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article presents the results of the experimental study of the dynamic characteristics of automobile pneumatic brake drive contours in order to develop diagnosis methods. The equipment and research techniques are given a detailed description. The opportunity and prospects of using phase dynamic characteristics of automobile PBD contours for their diagnosing are proved. 9 figures. 5 sources.

Key words: pneumatic brake drive (PBD); contours; devices; diagnostics; phase dynamic characteristics; automobile; experimental study; research complex; pressure.

Экспериментальные исследования являются важным этапом при разработке новых методов диагностирования [1-4]. Результаты экспериментальных исследований позволяют выполнить проверку корректности математических моделей. В данной статье при-

ведены результаты проведенных лабораторных экспериментальных исследований динамических характеристик рабочей тормозной системы пневматического тормозного привода (ПТП) автомобиля КамАЗ (рис. 1).

Рис. 1. Функциональная схема пневматического тормозного привода рабочей тормозной системы автомобиля КамАЗ-5320: 1 - двухсекционный тормозной кран (ДСТК); 2 - клапан ограничения давления (КОД); 3 - регулятор тормозных сил (РТС); Уц и Уп - объемы тормозных камер передней оси (первого контура); У21*Уз2 - объемы

тормозных камер задней оси

Экспериментальное исследование динамических характеристик контуров автомобильного ПТП выполнялось с использованием научно-исследовательского комплекса [2], блок-схема которого представлена на рис. 2. В состав комплекса входят три основных блока: пневматический, электронный и компьютерный.

3

Рис. 2.

Пневматический блок научно-исследовательского комплекса обеспечивает функционирование исследуемого контура ПТП или пневмоаппарата в заданных тестовых режимах. Блок позволяет воспроизводить процессы наполнения и опорожнения аппаратов и контуров ПТП рабочим телом (сжатым воздухом) в диапазоне рабочего давления от 0 до 0,75 МПа. Он выполнен в виде стационарного стенда, имеющего в своем составе подающие и приемные контуры. Четыре подающих контура пневматического блока обеспечивают подготовку и подачу (по заданному закону) рабочего тела в исследуемый пневмоаппарат 6, а также подачу управляющего воздействия в виде заданной функции иупр = 1 (I) перемещения органа управления пневмоаппаратом или контуром ПТП, обеспечивая тем самым тестовое воздействие на объект диагностирования 6.

Подающие контуры пневматического блока (см. рис. 2) состоят из: накопительных ресиверов 12, обеспечивающих прием и хранение сжатого воздуха; регуляторов рабочего давления 13, обеспечивающих регулирование давления рабочего тела в ресиверах 12 в диапазоне рабочего давления от 0 до 0,75 МПа; электрического пневмоклапана и ускорительного клапана 16, управляющих подачей рабочего тела в управляющую камеру 15; исполнительного крана 11, имеющего привод от камеры 15 и обеспечивающего подачу сжатого воздуха через регулируемый пневмодроссель 10 на вход исследуемого пневмоаппарата 6 - объекта исследования.

Давление рабочего тела в подающем контуре блока контролируется механическим манометром 14 класса 0,6 с диапазоном измерения давления от 0 до

1 МПа. Четыре приемных контура обеспечивают прием сжатого воздуха, прошедшего через исследуемый пневмоаппарат 6 (или контур ПТП). Приемные контуры выполнены в виде ресиверов 9 с установленными на них механическими манометрами 8 класса 0,6 с диапазоном измерения давления от 0 до 1 МПа. Они

1

2

используются только в процессе исследования пнев-моаппаратов проточного типа.

Работу пневматического блока удобно рассматривать с использованием его схемы, представленной на рис. 3. Объект исследования 10 подключают в разрыв между подающим и приемным контуром комплекса.

Подготовку и подачу рабочего тела (сжатого воздуха) в пневматический блок комплекса обеспечивает стационарный компрессор (на рис. 3 не показан). Для обеспечения стабильности рабочих процессов наполнения и опорожнения пневмоаппаратов, а также для обеспечения стабильности тестовых воздействий на управляющие пневмоаппараты и контуры ПТП, в блоке применены регуляторы давления 1, которые устанавливают и поддерживают в накопительных ресиверах 2, имеющих емкость 4*10-2 м3, давление воздуха 0,75 МПа. Визуальный контроль давления в ресиверах (2) осуществляется с помощью механических манометров 3, имеющих класс точности 0,6 с диапазоном измерения давления от 0 до 1 МПа. Тестовое воздействие на исследуемый пневмоаппарат (контур) 10 осуществляется посредством подачи на его вход рабочего тела. При этом очень важно обеспечить высокую пропускную способность как подающих, так и приемных магистралей пневматического блока, иначе их сопротивления существенно исказят динамические характеристики объектов исследования (ОИ). Поэтому магистрали подающих и приемных контуров пневматического блока имеют внутренние диаметры 0,02 м, а подача и выпуск сжатого воздуха в ОИ осуществляется через исполнительный кран 8, имеющий клапаны с площадью поперечных сечений 0,00047 м2.

Структурная схема исследовательского комплекса для анализа динамических характеристик ПТП

Рис. 4. Внешний вид пневматического блока комплекса

Управление работой исполнительного крана 8 осуществляет привод, состоящий из нажимного устройства 7, приводной камеры 6, ускорительного клапана 5 и электромагнитного пневмоклапана 4.

При подаче управляющего напряжения на электромагнитный клапан 4, он открывает подачу сжатого воздуха на ускорительный клапан 5. Большие пропускные сечения ускорительного клапана 5 обеспечивают широкий диапазон регулирования динамических режимов функционирования ОИ, перемещая нажимное устройство 7 от одного крайнего положения до другого за время от 0,1 до 60 с. Скорость перемещения управляющего органа (тестового воздействия) регулируется за счет изменения пропускного сечения дросселя 12 [5].

Пневматический блок компьютерного диагностического комплекса позволяет не только исследовать и

диагностировать пневмоаппараты, но и обеспечивать высокую стабильность заданных тестовых режимов [5] при диагностировании контуров ПТП, в том числе и на автомобиле. Эту функцию комплекса обеспечивает привод, состоящий из элементов 1-7 (см. рис. 3). При этом нажимное устройство 7, воздействуя на управляющие аппараты исследуемых (диагностируемых) контуров ПТП (или управляющий орган исполнительного крана 11), обеспечивает тестовое управляющее воздействие в виде заданной функции изменения угла поворота иупр = ф({) органа управления.

Электронный блок комплекса выполняет следующие функции:

• обеспечивает преобразование текущих значений контролируемого давления сжатого воздуха в удобный для исследования и регистрации электрический сигнал;

• обеспечивает измерение времени перемещения и угла поворота рабочего органа управляющего пневмоаппарата ПТП из одного крайнего положения в другое;

• осуществляет управление запуском аналого-цифрового преобразователя;

• управляет работой электромагнитного клапана пневматического блока;

• осуществляет ввод сигналов контролируемых параметров в ЭВМ.

На схеме (см. рис. 2) электронный блок представлен в виде преобразователя сигналов 3, электронного реле времени 4, датчиков давления рабочего тела 5 на входе и 7 на выходе объектов диагностирования, электронного измерителя интервалов времени 18, а также датчика крайних положений 17 и угла поворота 19 управляющего органа.

Работу электронного блока удобно рассматривать с использованием его схемы, представленной на рис. 5.

Электронное реле времени 1 осуществляет управление работой всего электронного блока по команде цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) компьютера. Оно обеспечивает расчет и выдержку временных интервалов режимов наполнения и опорожнения пневмоаппаратов и контуров ПТП в диапазоне от 0,1 до 99 с. Для гальванической развязки реле времени 1 от других электронных элементов блока используется оптопара (лампа-светодиод). Оптопара совместно с электронным формирователем сигнала 2 обеспечивает управление работой электропневмати-

ческого клапана 4, питающегося от источника постоянного тока, имеющего стабилизированное напряжение ±30 В. Питание формирователя сигнала 2 осуществляется от источника постоянного тока 16, имеющего стабилизированное напряжение ±15 В. Электронный сигнал формирователя 2 осуществляет запуск аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 17.

Для измерения времени перемещения рабочего органа ОИ изготовлен измеритель интервалов времени. Он состоит из двух оптопар (светодиод - фотодиод) 7 и 8; шторки 9, связанной с рычагом управления пневматического блока комплекса; электронного ключа 10 и электронного измерителя интервалов времени 11. Оптопары 7 и 8 совместно с формирователями сигналов 5 и 6 через электронный ключ 10 управляют процессом счета времени перемещения рычага управления пневматического блока между его крайними положениями. Счет времени осуществляется в период, когда шторка 9 не перекрывает световой поток оптопар. Электронным ключом 10 управляет ТТЛ логическая ячейка «3-И-НЕ». Она подает стандартные сигналы (частотой 100 Гц) от встроенного генератора электронного измерителя интервалов времени 11, поступающие на ее первый вход, к счетным декадам измерителя 11 в период, когда с выходов формирователей 5 и 6 поступают электрические сигналы на второй и третий её входы (ТТЛ ячейка на рис. 5 не показана). Таким образом, электронный измеритель интервалов времени 11 позволяет рассчитывать и отображать на цифровом дисплее время перемещения рабочего органа ОИ.

Рис. 5. Функциональная схема электронного блока исследовательского комплекса

Преобразование текущих значений контролируемого давления сжатого воздуха в удобный для исследования и регистрации электрический сигнал осуществляют датчики давления 12 (см рис. 2, позиции 5 и 7) совместно с преобразователем 11. Мембранные датчики 12 преобразуют изменение давления рабочего тела в контрольных точках ОИ в изменение сопротивления. Восьмиканальный преобразователь 14 осуществляет преобразование сопротивления датчиков давления 12 в напряжение, которое затем поступает на входы АЦП 17.

Аналогично осуществляется преобразование угла поворота рабочего органа управляющего пневмоаппа-рата ПТП в напряжение. Его выполняет потенциомет-рический датчик 13, изменяющий свое сопротивление в функции изменения угла поворота рабочего органа ф с последующим его преобразованием в изменение напряжения преобразователем 14. Питание преобразователя и датчиков осуществляется от источника стабилизированного тока 15 с напряжением питания ±15 В.

Для ввода контролируемых аналоговых сигналов в ЭВМ осуществляется их предварительное преобразование в цифровые коды компьютера. Эту операцию выполняет шестнадцатиканальный аналого-цифровой преобразователь, имеющий встроенный блок цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) фирмы «ЬсагС».

стемным блоком, оснащенным жестким диском емкостью 80 Гб.

Управление работой комплекса осуществляется по команде компьютера. Команда в виде ступенчатого электрического сигнала +5 В подается на реле времени 1 электронного блока (см. рис. 5) от ЦАП, обеспечивая тем самым запуск электромагнитного пнев-моклапана и АЦП. Регистрация контролируемых параметров пневмоаппаратов и ПТП в процессе исследования их динамических характеристик осуществляется при помощи программы «Осциллограф». Она позволяет на программном уровне устанавливать режимы работы АЦП (интервалы дискретизации входных сигналов, предельные значения их амплитуд, время регистрации исследуемых процессов, вид и расположение графиков зависимостей и др.).

Общий вид научно-исследовательского комплекса показан на рис. 6.

В процессе экспериментальных исследований первого контура ПТП выполнялось его подключение к комплексу и измерение давления Р01 на выходе нижней секции ДСТК, а также давления Рц на входе в диафрагменные камеры тормозных механизмов передней оси (рис. 7).

Давления Р01 и Рц измеряли в динамических режимах перемещения рычага управления ДСТК из одного крайнего положения в другое за время 0,2 с. Ре-

Рис. 6. Общий вид научно-исследовательского комплекса

Компьютерный блок выполняет функции управления работой комплекса, регистрации контролируемых параметров (давление рабочего тела на входах и выходах ОИ, сигналы тестовых управляющих воздействий на ОИ, время продолжительности исследуемых процессов), их обработку и анализ, постановку диагноза и хранение полученной информации. Основу блока составляет компьютер с монитором 17", си-

зультаты экспериментальных исследовании первого контура получены в виде массивов чисел и в виде графиков зависимостей давлении Р01 и Р11 от времени (рис. 7,а) в среде «Осциллограф».

Затем в среде «EXCEL» массивы чисел были преобразованы в графики зависимостей P11 = f (P01) (рис. 7,6).

а) б)

Рис. 7. Экспериментальные динамические характеристики первого контура ПТП

Анализ полученных фазовых динамических характеристик первого контура ПТП показывает, что их внешний вид определяется в основном динамикой работы и техническим состоянием клапана ограничения давления (см. рис. 7,6).

Проведенные исследования позволили установить, что изменение параметров технического состояния КОД и ДСТК качественно изменяют фазовые характеристики первого контура. Причем изменение каждого отдельно взятого параметра изменяет строго определенную часть этой характеристики. Это позволяет использовать фазовые динамические характеристики для поиска неисправных аппаратов в первом контуре [2, 4].

Результаты экспериментальных исследований второго контура тоже получены в виде массивов данных и в виде графиков зависимостей давлений Р0з и Р32 от времени (рис. 8,а и 9,а) в среде «Осциллограф». Затем в среде «EXCEL» массивы данных были

преобразованы в графики зависимостей Р32 = / (Роз) (рис. 8,6 и 9,б). Их качественный анализ позволил установить, что фазовые динамические характеристики первого контура ПТП (см. рис. 7,б) определяются динамикой работы и техническим состоянием ДСТК и РТС. Проведенные исследования показывают, что фазовые динамические характеристики второго контура и качественно, и количественно реагируют на изменение технического состояния ДСТК и РТС. Этот факт подтверждает возможность использования их для поиска неисправных аппаратов во втором контуре [2, 4].

Следует отметить, что использование высококачественного экспериментального оборудования на основе современной ЭВМ с АЦП позволяет получать высокие показатели повторяемости результатов экспериментов.

а) б)

Рис. 8. Экспериментальные динамические характеристики второго контура ПТП

а) б)

Рис. 9. Экспериментальные динамические характеристики второго контура ПТП

Таким образом, в ходе проведенного исследования экспериментально доказано следующее:

- при обеспечении стабильности тестовых воздействий [5] фазовые динамические характеристики контуров автомобильных ПТП обладают высокой стабильностью (вариация значений динамических характеристик не превышает 3,8%);

- фазовые динамические характеристики контуров

автомобильных ПТП и количественно и качественно реагируют на изменение их технического состояния;

- при каждом данном техническом состоянии аппаратов фазовые динамические характеристики контуров автомобильных ПТП стабильны, вполне информативны и пригодны для выполнения диагностирования.

Библиографический список

1. Патент № 2139506 РФ. Способ диагностирования аппаратов пневматического тормозного привода и устройство для его осуществления. № 97113326/28; заявл. 31.07.1997; опубл. 10.10.1999.

2. Патент № 2345915 РФ. Способ дифференциального диагностирования тормозных систем автотранспортных средств с пневматическим тормозным приводом и устройство для его осуществления. № 2007138376/11; заявл. 16.10.2007; опубл. 10.02.2009.

3. Патент № 2333468 РФ. Способ измерения рабочих объемов и проверки герметичности пневматических тормозных

камер и устройство для его осуществления. № 2007110450/28; заявл. 21.03.2007; опубл. 10.09.2008.

4. Федотов А.И., Григорьев И.М. Экспериментальные исследования динамического метода диагностирования автомобильных регуляторов тормозных сил // Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация. 2006. № 3. С. 6.

5. Федотов А.И. Портнягин Е.М. К вопросу о тестовых воздействиях на объект диагностирования // Вестник Иркутского госуарственного технического университета. 2011. № 5 (52). С. 95-100.

УДК 656.13:658

ИССЛЕДОВАНИЯ ДАЛЬНОСТИ ПОЕЗДКИ ПАССАЖИРОВ НА ГОРОДСКОМ МАРШРУТЕ С ОДНОВРЕМЕННЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОБУСОВ РАЗНОЙ ВМЕСТИМОСТИ

© С.А. Яценко1, С.В Колганов2, Н.В. Тарханова3

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты экспериментальных исследований одного из важных показателей для городских автобусных перевозок - средней дальности поездки пассажира. Выполнен сравнительный анализ предпочтений пассажиров при выборе автобусов разной вместимости в зависимости от средней дальности поездки.

1Яценко Светлана Анатольевна, доцент кафедры менеджмента и логистики на транспорте; тел.: (3952) 405135, e-mail: sv_lana2005@mail.ru

Yatsenko Svetlana, Associate Professor of the Department of Transport Management and Logistics, tel.: (3952) 405135, e-mail: sv_lana2005@mail.ru

2Колганов Сергей Владимирович, доцент кафедры менеджмента и логистики на транспорте; тел.: (3952) 405353, e-mail: Kolganov_sv@istu.edu

Kolganov Sergey, Associate Professor of the Department of Transport Management and Logistics, tel.: (3952) 405353, e-mail: Kol-ganov_sv@istu.edu.

Тарханова Наталья Владимировна, доцент кафедры менеджмента и логистики на транспорте; тел.: (3952) 405135, e-mail: tarnato@yandex.ru

Tarkhanova Natalya, Associate Professor of the Department of Transport Management and Logistics, tel.: (3952) 405135, e-mail: tarnato@yandex.ru