ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАЛОГАБАРИТНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ШИРОКИМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ

На правах рукописи

ДЗОЦЕНИДЗЕ Тенгизи Джемалиевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ

МАЛОГАБАРИТНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ШИРОКИМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва, 2009

Работа выполнена в Государственном Научном Центре Российской Федерации - Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»).

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дидманидзе Отари Назирович

доктор технических наук, профессор

Годжаев Захид Адыгезалович

доктор технических наук, профессор

Иванов Андрей Михайлович

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Орловский

государственный аграрный университет»

Защита состоится 14 сентября 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д. 220.044.01 при ФГОУ ВПО МГАУ по адресу: 127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16-а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан «_____»____________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор А.Г. Левшин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема создания грузовых автомобилей сельскохозяйственного назначения в целом и малотоннажных транспортных средств для крестьянских фермерских (КФХ) и личных подсобных хозяйств (ЛПХ) напрямую связана с развитием экономики страны и подъемом уровня жизни граждан России. Обеспечение современной сельскохозяйственной техникой предприятий агропромышленного комплекса (АПК) связано с определенными трудностями. Многие сельхозпредприятия убыточны и не имеют возможности закупать новую технику, а техника, которая имеется в хозяйствах, на 60-70% выработала свой ресурс. Только от снижения уровня механизации сельхозпроизводства страна теряла в последние годы не менее 30% урожая сельскохозяйственных культур. При этом ни отечественные производители, ни расширение импорта сельхозтехники не способны быстро улучшить состояние дел по насыщению рынка новой современной техникой.

В структуре сельского хозяйства доля ЛПХ составляет 55…56, а КФХ – 3,7…4,5%. Причем в ЛПХ производится до 93% картофеля и до 81,5% овощей, в КФХ – соответственно 1,3…1,6 и 2,6…3,3%. Для большинства сельских жителей ЛПХ – единственный источник выживания. В мелкотоварных хозяйствах вся технологическая цепочка производства картофеля и овощей, за исключением тракторной вспашки и предпосадочной культивации, основана на применении ручного труда.

Нерешенность проблемы обеспечения сельского хозяйства транспортными средствами, приспособленными к специфическим условиям эксплуатации, во многом обусловлена недостатками в процессе развития автомобильной промышленности в целом. С учетом наличия тяжелых дорожных условий и бездорожья, очевидно, что разработка научных основ создания грузовых автомобилей сельскохозяйственного назначения и, в частности, семейства малогабаритных транспортных средств с широкими функциональными возможностями (МТС) как нового средства развития КФХ и ЛПХ является актуальной и, кроме того, приобретает особенно острый характер.

Цель работы - проведение теоретических исследований для обоснования параметров МТС сельскохозяйственного назначения с широкими функциональными возможностями, создание опытных образцов, экспериментальное их исследование и подготовка серийного производства.

Объекты исследования - образцы семейства МТС, созданные на основе реализации модульного принципа проектирования и применения каркасно-панельной конструкции кузовных модулей.

Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы математического моделирования, численные методы решения систем дифференциальных уравнений и нелинейных алгебраических уравнений (пакеты программ I-DEAS, COSMOS/M, расчета методом конечных элементов (МКЭ), другие приложения), методы теорий оптимизации, упругости, планирования эксперимента, вероятности и др.

Экспериментальные исследования проводились согласно вновь разработанной программе-методике испытаний на опытных образцах семейства МТС первой серии, а также после внесения изменений в конструкцию по результатам государственных приемочных испытаний, на образцах второй серии, с применением стендового, измерительного оборудования и на испытательных дорогах ФГУ «Кубанская МИС», ОАО «ФИИЦ М» и Автополигона ФГУП «НАМИ».

Научная новизна работы заключается в разработке концепции создания МТС сельскохозяйственного назначения с широкими функциональными возможностями на основе локализации и синтеза основных технических требований динамики движения, экологии взаимодействия движителей с почвой и производственно-экономических условий малых форм хозяйствования. Технические решения защищены 19 патентами на полезные модели, промышленные образцы и изобретения.

Наиболее существенные результаты, полученные лично соискателем:

1. Обоснованы параметры МТС сельскохозяйственного назначения с широкими функциональными возможностями.

2. Разработана методика оценки эффективности применения МТС в условиях КФХ и ЛПХ по принципу качественного сравнения по таким параметрам как производительность и себестоимость единичных транспортных средств от изменения коэффициента использования пробега, технической скорости, времени погрузочно-разгрузочных работ и длины ездки с грузом.

3. Разработана математическая модель динамики движения МТС по деформируемому грунту, позволяющая изучить режимы движения. При этом полученные системы дифференциальных уравнений в общем виде отражают динамику движения по деформируемым грунтам и другим дорогам.

4. Разработана математическая модель прямолинейного движения МТС по деформируемому грунту с учетом экологических показателей, что позволяет получить расчетные значения параметров шин.

5. Разработаны Концепции национальной инновационной программы «Создание новой экспортно-ориентированной автомобильной промышленности России» и организации производства семейства МТС в виде производственно-логистического комплекса (ПЛК).

Достоверность результатов подтверждается тем, что результаты проведенных аналитических исследований согласуются с результатами комплексных экспериментальных исследований с расхождением не более 8%.

Практическая ценность работы. Полученные результаты исследований использованы:

- при разработке программных документов, направленных на развитие отечественной автомобильной промышленности и выносимых на утверждение Правительством России, других административных органов;

- на стадии проектирования для оценки и обоснования параметров МТС с помощью разработанных математических моделей динамики движения и взаимодействия движителей с грунтом, а также для определения параметров шин;

- при разработке типажа МТС с широкими функциональными возможностями путем реализации модульного принципа проектирования и применения каркасно-панельной конструкции кузовных модулей;

- при создании конструкции опытных образцов семейства МТС в виде базового шасси, транспортных средств – самосвалов, пикапа, грузовой платформы с краном манипулятором, опрыскивателя и др. – всего 9 образцов первой и второй серии;

- для обоснования параметров промышленной площадки и подготовки серийного производства.

Кроме того, накоплен ценный технологический опыт по изготовлению оригинальных деталей и систем (двухступенчатый редуктор ВОМ, гидравлическая система, электрическая схема, разработка и изготовление остекления, навесных панелей и полимерных материалов и т.п.).

Реализация результатов работ. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены:

- математические модели динамики движения МТС по деформируемому грунту и взаимодействия движителя МТС с деформируемым грунтом с учетом требований экологии земледелия, а также методика оценки эффективности применения МТС в условиях КФХ и ЛПХ по принципу качественного сравнения существующих и вновь создаваемых автомобилей используются в работе конструкторских служб научного направления «Автомобили» ФГУП «НАМИ»;

- отработана технология создания и изготовления кузовных элементов внешней формы и интерьера из композиционных полимерных материалов. Полученные результаты внедрены в практику Завода опытных конструкций (ЗОК) ФГУП «НАМИ»;

- разработан и утвержден межведомственный нормативный документ «Перечень обязательных технических требований к транспортным средствам с широкими функциональными возможностями»;

- разработан ГОСТ Р «Автомобильные транспортные средства специальные с широкими функциональными возможностями. Общие технические требования»;

- разработан план производства семейства МТС, выбрана промышленная площадка и ведется подготовка серийного производства на одном из машиностроительных заводов.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены обсуждены и одобрены на:

- V, VI и VIII Конгрессе технологов автомобилестроения, Москва, 2007-8 гг.;

- заседаниях секции НТС Департамента научно-технологической политики и образования Министерства сельского хозяйства России, Москва, 2006-7 гг.;

- Московской международной конференции «Полимеры в автомобилестроении», Москва, 2008 г.;

- IV и VI Международном автомобильном научном форуме (МАНФ), Москва, 2006 и 2008 гг.

Все положения, вошедшие в работу, рассматривались на заседаниях НТС ФГУП «НАМИ».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликована 44 печатные работы, в их числе 1 монография в соавторстве, 8 статей в центральных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, технические решения защищены 19 патентами на изобретения, промышленные образцы и полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 302 наименований и 4-х приложений. Объем диссертационной работы составляет 407 страниц текста. Основной текст изложен на 341 странице и содержит 65 рисунков и 55 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена суть решаемых в диссертационной работе задач, показана актуальность проблемы создания грузовых автомобилей сельскохозяйственного назначения, охарактеризована научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрено состояние проблемы создания грузовых автомобилей сельскохозяйственного назначения и определены задачи исследования.

В нашей стране имеется большой опыт создания новых образцов автомобильной техники для различных отраслей промышленности, который нашел отражение в работах Б.А. Афанасьева, Н.Ф. Бочарова, О.И. Гируцкого, Л.Е. Глинера, О.Н. Дидманидзе, Ю.К. Есеновского-Лашкова, Н.Е. Евтушенкова, Ю.Л. Зеленина, А.Ю. Измайлова, А.А. Ипатова, Н.И. Коротоношко, Г.А. Крестовникова, И.П. Ксеневича, В.В. Московкина, В.А. Петрушова, В.Ф. Платонова, А.А. Полунгяна, В.М. Селиванова, В.М. Семенова, З.Л. Сироткина, В.И. Соловьева, С.Б. Шухмана и многих других. Известно, что еще в 1983 году государство финансировало проведение НИОКР по созданию или совершенствованию следующих нишевых продуктов:

- разработка нового семейства перспективных сельскохозяйственных автопоездов КАЗ грузоподъемностью 11 т;

- создание специального транспортно-технического автомобиля высокой проходимости типа 6х6 сельскохозяйственного назначения УралАЗ грузоподъемностью 7 т;

- создание конструкции автомобиля-пикапа для сельского хозяйства для замены УАЗ-452Д;

- создание специализированного автомобиля-кормораздатчика АРС-10 на шасси ЗИЛ-4948;

- создание конструкции магистрального автопоезда на перспективу 2000 г. с грузоподъемностью 30…32 т;

- разработка конструкции нового семейства грузовых автомобилей грузоподъемностью 1,5 т с дизельным двигателем;

- создание легкового автомобиля особо малого класса на перспективу до 2000 г. с использованием опережающих решений по снижению массы и расхода топлива;

- создание специального переднеприводного легкового автомобиля для инвалидов;

- создание на базе РАФ-2203 автомобиля, работающего на бензино-водородных топливных композициях, обеспечивающего экономию нефтяных топлив;

- создание и освоение производства перспективных моделей электромобилей полной массой до 3,0 т с улучшенными технико-эксплуатационными параметрами.

Перечень содержит именно новые объекты – транспортные средства, и здесь не упомянуты другие работы, которые тоже планировались и велись. Понятно, что и через 25 лет приведенный перечень не потерял своей актуальности. Однако, в силу разных причин, многие работы не были доведены до реализации, некоторые отсрочены или вовсе прекращены. Такое состояние дел во многом обусловлено имеющимися недостатками в процессе развития экономики страны и автомобильной промышленности, в частности. Однако предлагаемые сегодня меры по реализации тех или иных принципов промышленной политики не предполагают осуществление шагов в направлении такой модернизации автомобильной промышленности, которая позволила бы реализовать результаты НИОКР и стимулировать внедрение в производство новых моделей.

Разработке транспортных средств сельскохозяйственного назначения такое большое внимание уделяется оправданно, так как одной из ключевых задач национальной стратегии России является подъем до современного уровня сельского хозяйства, как важнейшей составляющей экономики. Актуальные вопросы по решению проблем транспортной инфраструктуры агропромышленного комплекса рассматривались в работах В.П. Алферьева, В.А. Банькина, Е.Н. Бородина, Н.И. Бычкова, А.В. Гордеева, В.А. и Л.А. Гоберманов, О.Н. Дидманидзе, А.М. Долгошеева, Ю.К. Есеновского-Лашкова, Е.Н. Евтушенкова, А.Ю. Измайлова, Л.Ф. Кормакова, Н.В. Краснощекова, В.М. Кряжкова, И.П. Ксеневича, Ю.Ф. Лачуги, С.Г. Митина, Г.Е. Никонова, Л.С. Орсика, О.А. Полякова, П.А. и М.П. Смирновых, В.И. Черноиванова и др. был предложен целый ряд решений, однако из-за структурных изменений в сельскохозяйственном производстве, а также в результате социальных и демографических сдвигов в разных регионах страны в последние годы многофакторные исследования практически не велись. В работах А.Ю. Баснака, Н.И. Глотовой, В.М. Лялякина, Т.А. Мутных, Н.В. Солошенко и др. затронуты некоторые аспекты формирования и использования парка машин в малых формах хозяйствования, экономического обоснования устойчивого развития КФХ и ЛПХ. Однако для исследования тенденций использования автотранспорта в сельском хозяйстве необходимо изучение особенности товаропроизводства в КФХ и ЛПХ и перевозок мелкопартионных сельскохозяйственных грузов автомобильным транспортом.

Кроме обозначенной проблемы, актуальной является разработка методики оценки эффективности применения транспортных средств в условиях КФХ и ЛПХ. Сельское хозяйство отличается большим разнообразием грузов, а общий объем перевозок в 2005 году составил в среднем 36 т в расчете на 1 га пашни и на ближайшую перспективу прогнозируется рост до 50 т. Тракторные перевозки составляют 22…27% от общего объема транспортных перевозок и 45% объема внутрихозяйственных перевозок, но отличаются неэффективностью, а их стоимость в нашей стране выше стоимости автомобильных. Для решения транспортных проблем, на сегодняшний день некоторыми исследователями предлагается использовать тяговые шасси, снабженные системой смены кузовов с различными видами сменных кузовов. Однако внедрение такой системы не исключает необходимости разрабатывать специальные автомобили сельскохозяйственного назначения, и эта задача остается по-прежнему актуальной.

Накопленный богатый опыт, приведенный в работах Я.С. Агейкина, В.Ф. Бабкова, А.К. Бируля, М.Г. Беккера, Н.Ф. Бочарова, М.Д. Брегадзе, Н.И. Бычкова, А.Н. Вержбицкого, Л.Е. Глинера, Ю.К. Есеновского-Лашкова, Н.И. Кнороза, Н.И. Коротоношко, Г.О. Котиева, Н.Ф. Кошарного, Г.А. Крестовникова, А.Г. Левшина, А.Ф. Нефедова, В.А. Петрушова, Ю.В. Пирковского, В.Ф. Платонова, И.А. Плиева, А.А. Полунгяна, В.М. Семенова, В.А. Скотникова, Г.А. Смирнова, В.И. Соловьева, Н.А. Ульянова, К.А. Фрумкина, С.А. Шуклина, С.Б. Шухмана, М.П. Чистова, позволил выработать основные концепции создания и классификации автотранспортных средств высокой проходимости, предназначенных для работы в тяжелых дорожных условиях и на бездорожье.

Представляется необходимым на основе проведение теоретических исследований разработать концепцию создания МТС, определить функциональное назначение машин и их технические характеристики, условия эксплуатации и экологии взаимодействия с окружающей средой, создание чертежно-конструкторской документации (ЧКД) на опытные образцы МТС и проведение экспериментальных исследований. При этом семейство МТС должно быть приспособлено к использованию в качестве личного, семейного транспорта для обеспечения большей мобильности населения.

Во второй главе рассмотрены и исследованы предпосылки для создания и производства грузовых автомобилей сельскохозяйственного назначения. Исследование тенденций использования автотранспорта в сельскохозяйственном производстве показало, что автомобильный транспорт перевозит большую номенклатуру грузов, а в себестоимости сельскохозяйственных продуктов транспортные расходы составляют 15…40%. Автомобильный транспорт в сельскохозяйственном производстве играет важнейшую, а в период уборки урожая – решающую роль. В большинстве случаев сельскохозяйственный автотранспорт работает в тяжелых дорожных условиях.

Максимальная потребность в автомобилях приходится на период вывозки урожая. Сегодня в основном используются автомобили общего назначения (производства ОАО «ГАЗ», АМО «ЗИЛ», МАЗ, ОАО «КамАЗ»), а также специализированный подвижной состав, созданный с применением серийных шасси. Однако применяемый транспорт больше подходит крупным хозяйствам, хотя автомобили общего назначения имеют неудовлетворительную проходимость по местности, полевым и грунтовым дорогам в периоды дождей и осенне-весенней распутицы, а также по снегу. Автомобильная техника высокой проходимости в сельское хозяйство не поступает, так как выпускается мелкими сериями для военных нужд и не отличается высокой эффективностью на селе. Следовательно, для сельского хозяйства, помимо автомобилей общего назначения и тракторов с прицепами, нужны специальные транспортные средства, разработанные с учетом особенностей эксплуатации в условиях сельского хозяйства.