Улучшение условий и безопасности труда операторов мобильных колесных машин в сельскохозяйственном производстве за счет автоматических устройств

Зона рекомендуемых значений чувствительности блокирующего механизма к заклиниванию по угловым ускорениям ведущего колеса зак должна определяться условием: зак о + п (для автомобиля ЗИЛ-433360 она составляет 10...25с-2), где п - максимальное угловое ускорение ведущего колеса, вызываемое поворотом автомобиля. Вышеизложенное позволяет свидетельствовать о принципиальной возможности осуществления блокировки дифференциалов путем ограничения углового ускорения буксующего колеса.

Анализ работы самоблокирующихся дифференциалов и теоретические расчеты показали, что полную реализацию тягового усилия по условию сцепления ведущих колес с дорогой способны обеспечить только дифференциалы с полной блокировкой (рисунок 3). Отсюда следует, что в трансмиссию МКСМ необходимо вводить автоматические блокираторы.

Рисунок 3 - Тяговое усилие для различных типов дифференциалов: Кб = 9 – коэффициент блокировки червячного дифференциала; Кб = 5 – коэффициент блокировки кулачкового дифференциала; Кб = 1,07 – коэффициент блокировки дифференциала с фрикционными элементами; Кб = 0 – коэффициент блокировки простого шестеренчатого дифференциала;

Кб = – коэффициент блокировки автоматического самоблокирующегося дифференциала

На скользких несущих поверхностях с низким коэффициентом сцепления так же предлагается использовать автоматическое устройство для разбрасывания сыпучих материалов (рисунок 4).

Наиболее важные параметры этого устройства находим из уравнения (11), определяющего скорость полета частицы сыпучего материала (Vo):

Pисунок 4 - Схема полета частицы сыпучего материала

Vо = , (11)

где H – расстояние от желоба до несущей поверхности, м; S - расстояние полета частицы сыпучего материала до несущей поверхности, м; g – ускорение свободного падения, м/с2.

Анализ ДТП свидетельствует, что подавляющее большинство водителей выполняют торможение, особенно в экстренных случаях, с усилием, приводящим к полному блокированию колес и их неконтролируемому движению «юзом». Для улучшения тормозных качеств колесных машин с гидравлическим и пневматическим приводом тормозов в диссертационной работе предлагаются автоматические антиблокировочные системы (АБС).

Для того чтобы колесо разблокировалось (или несколько колес) нужно на блокированном колесе уменьшить силу прижатия тормозных колодок к тормозному барабану Fбл на такую величину F, чтобы колодки снизили свое давление на тормозной барабан. В этом случае тормозная сила на этом колесе станет меньше возможной по условию сцепления шины с поверхностью дороги. Тогда:

Fр=Fбл–F, (12)

где Fр– величина силы прижатия колодок к тормозному барабану разблокированного колеса.

Для мобильных колесных машин с пневматическим приводом тормозов давление в тормозной камере определяем равенством:

P = , (13)

где - объем ресиверов; - объем тормозной магистрали автомобиля;

- давление воздуха в ресивере.

Параметры микроклимата в кабинах существующих МКСМ не отвечают нормативным требованиям по температуре в условиях холодного периода года на 8…13%. Для улучшения условий труда операторов МКСМ в холодное время года предлагается использовать автоматическое устройство для подогрева пола кабины.

Теоретически процесс работы предлагаемого устройства для подогрева пола кабины может быть описан с помощью основ термодинамики, в частности, уравнения переноса теплоты:

, (14)

где - плотность распределения источников (стоков) тепловой энергии;

- коэффициент теплопроводности; - оператор градиента или дивергенции; - плотность газовоздушной смеси; Ср - удельная изобарная теплоемкость;

- время движения газовоздушной смеси; Т - температура смеси.

Эффективность работы предлагаемого устройства также зависит от величины сопротивлений, возникающих при движении газовоздушной смеси по воздухопроводам. Если конструкция приемника выполнена в виде круглого конфузора (рисунок 5), то потери на трение по длине его прямолинейной части hтр можно оценить по формуле:

hтр = , (15)

где v – средняя скорость потока газовоздушной смеси в произвольном сечении; l – длина прямолинейной части конфузора.

Рисунок 5 - Расчетная схема конфузора

Потери напора в местных сопротивлениях, если они расположены вблизи друг от друга, можно определить следующим образом:

, (16)

где d - диаметр трубы; r - радиус закругления; - угол закругления.

С учетом параметров, входящих в уравнения (15) и (16), можно определить оптимальный режим работы предлагаемого автоматического устройства для подогрева пола кабины транспортного средства.

В третьей главе «Разработка автоматических устройств, улучшающих условия и безопасность труда операторов колесных машин в транспортно-технологическом процессе сельскохозяйственного производства» представлены принципиальные схемы: блокировки шестеренчатого дифференциала; устройства для разбрасывания сыпучих материалов; антиблокировочной системы (АБС) для мобильных колесных машин с пневматическим и гидравлическим приводами тормозов; устройства для подогрева пола кабины транспортного средства.

Автоматическая блокировка шестеренчатого дифференциала

Блокировка шестеренчатого дифференциала осуществляется за счет касательных сил инерции в блокирующем механизме при 10...25 с-2 (буксование, отрыв колеса от дороги). Механизм блокировки не влияет на основные свойства шестеренчатого дифференциала и не ухудшает его работу при различных режимах движения колесной машины. Использование роликового механизма в блокираторе снижает ударные нагрузки, возникающие при блокировании дифференциала.

Рисунок 6 – Принципиальная схема механизма автоматической блокировки дифференциала: 1 - полуоси; 2 -упорные конические шарикоподшипники; 3 - корпус дифференциала;

4 - нажимные диски; 5 - блокирующие диски;

6 - шлицы полуосей; 7 - винтовая силовая пружина; 8 - ролики; 9 - сепаратор; 10 - сателлиты; 11 - шестерни полуосей; 12 - пружина консольного типа

Автоматическое устройство для разбрасывания сыпучих материалов

Предлагаемое автоматическое устройство выполнено для каждого ведущего колеса. При буксовании одного из ведущих колес, как только разность в соотношении угловых ускорений превысит 10-25 с-2, сравнитель угловых ускорений через усилитель подает питание на соленоид, расположенный на раме со стороны буксующего колеса. Устройство начинает работать, при этом сыпучий материал автоматически подается в зону контакта беговой дорожки шины с несущей поверхностью.

Рисунок 7 – Принципиальная схема автоматического устройства для разбрасывания сыпучих материалов. Вид (А) со стороны правого борта и (Б) – сверху: 1 - бункер для сыпучего материала; 2 - консоль поворотная с ременной передачей; 3 - пружина растяжения консоли; 4 - соленоид (электромагнит); 5 - индуктивные датчики; 6 - сравнитель угловых ускорений с усилителем (условно не показаны)

Автоматические антиблокировочные системы

Улучшить тормозные качества колесных машин с гидравлическим и пневматическим приводом тормозов в диссертационной работе предлагается за счет уменьшения значения силы прижатия тормозных колодок к тормозному барабану путем снижения давления тормозной жидкости в рабочем тормозном цилиндре за счет ее прохождения в расширительную камеру через отверстие в сердечнике соленоида (для машин с гидравлическим приводом тормозов), и за счет частичного выпуска сжатого воздуха в атмосферу через дросселированное отверстие (для машин с пневматическим приводом тормозов).

Рисунок 8 – Принципиальная схема устройства и работы АБС с гидравлическим приводом тормозов на различных режимах торможения: 1 – тормозной барабан; 2 – тормозная колодка;

3 – стяжная пружина; 4 – резиновый противопыльный колпачок; 5 – рабочий тормозной цилиндр колеса; 6 – щит; 7 – трубопроводы;8 – корпус электроклапана;9 – катушка электроклапана;

10 – пружина электроклапана; 11–сердечник соленоида;

12 – резиновая манжета поршня; 13 – поршень;14 – пружина;15 – корпус цилиндра; 16 – обратный шариковый клапан; 17-пружина обратного клапана; 18 – отверстие в сердечнике соленоида

Рисунок 9 – Принципиальная схема устройства и работы АБС для МКМ с пневматическим приводом тормозов на различных режимах торможения:

1 – электромагнит; 2 – корпус электромагнитного клапана;

3 – сердечник электромагнитного клапана; 4 – уплотнительные кольца штока; 5 – воздухопровод; 6 – дросселированное отверстие штока; 7–пружина штока

Автоматическое устройство для подогрева пола кабины

Предлагаемое автоматическое устройство обеспечивает подогрев пола кабины транспортного средства в холодное время года. Включенный в схему подогрева терморегулятор обеспечивает относительно комфортные условия по температуре 18…240С.

Рисунок 10 – Принципиальная схема и работа автоматического устройства для подогрева пола кабины: 1 - крыльчатка вентилятора; 2 - головка блока цилиндров; 3 - терморегулятор; 4 - приемная воронка конфузор); 5 - воздухопроводы; 6 - пол кабины;

7-насадок;8-заслонка

В четвертой главе «Методика и результаты экспериментальных исследований» приведены методики и результаты лабораторно-дорожных испытаний методов и автоматических устройств, позволяющих улучшить условия и безопасность труда операторов колесных машин в сельскохозяйственном производстве.

Результаты испытаний операторов на динамическом тренажере вождения марки ТТВ-172К до и после работы, связанной с буксованием, свидетельствуют о том, что при утомлении от процесса буксования колесных машин могут сохраняться в основном простые навыки (80%), достигшие автоматизма, которые позволяют правильно действовать в хорошо знакомых, стандартных ситуациях. Нарушаются же сложные виды психической деятельности (20%), что снижает готовность к действиям при неожиданном и необычном изменении дорожной обстановки.

Техническая эффективность предлагаемого автоматического самоблокирующегося дифференциала осуществлялась по скоростной характеристике при разгоне автомобиля и силе тяги по сцеплению на определенном участке несущей поверхности. Указанные характеристики автомобиля ЗиЛ - 433360 приведены на рисунке 11.

а) б)

Рисунок 11 - Скоростная характеристика разгона (а) и сила тяги по сцеплению (б) на обледенелом участке: 1 - автомобиль ЗиЛ - 433360 с автоматической блокировкой дифференциала; 2- серийный автомобиль ЗиЛ - 433360

Результаты скоростных характеристик и параметров, характеризующих опорную проходимость испытуемых автомобилей на исследуемых несущих поверхностях (обледенелый участок, снег, скользкий участок, дерн) показали, что скоростные возможности автомобиля, оборудованного автоматической блокировкой, значительно выше, чем автомобиля в серийной комплектации, в среднем – в 2 раза, а сила тяги по сцеплению - в 3…4 раза, особенно при большой разнице в сцеплении ведущих колес с несущей поверхностью.

Результаты сравнительных дорожных испытаний (рисунок 12) груженого (а) и негруженого (б) автомобиля с универсальным рисунком протектора

позволили получить регрессионные зависимости влияния коэффициента сцепления на коэффициент раздельного буксования при использовании автоматического устройства для разбрасывания сыпучего материала и без него.

Рисунок 12 - Регрессионная зависимость коэффициента раздельного буксования р от коэффициента сцепления груженого (а) и негруженого (б) автомобиля ЗиЛ-433360 с универсальным рисунком протектора при использовании автоматического устройства для разбрасывания сыпучего материала (2) и без него (1)

При использовании предложенного устройства коэффициент раздельного буксования уменьшается в среднем в 2,5…3 раза для груженого автомобиля и в 1,5…2 раза - для негруженого.

Результаты экспериментальных исследований тормозных качеств колесных машин с использованием представленных автоматических антиблокировочных систем показали (рисунок 13), что возрастание температуры тормозных барабанов в конце торможения достигала 70 ± 5°С, что соответствует нормативам. При этом неравномерность нагрева тормозных барабанов наблюдалась у автомобиля, необорудованного АБС. Разница нагрева тормозных барабанов у блокированного и неблокированного колеса составляла 20 ± 5°С.

Рисунок 13 - Зависимость температуры нагрева тормозных барабанов от начальной скорости торможения: а - "эталонное" торможение автомобиля УАЗ – 452; б - торможение автомобиля УАЗ– 452, оборудованного предлагаемой АБС; в - торможение автомобиля УАЗ – 452 серийной комплектации Результаты экспериментальных исследований автоматического устройства для подогрева пола кабины транспортного средства представлены на графике (рисунок 14). Экспериментальные исследования показали, что при применении автоматического устройства для подогрева пола кабины транспортного средства комфортные условия в области ступней достигаются в среднем за 25…30 мин., при этом поддерживается температура – 18…240С.

Рисунок 14 - Изменение температуры Тп поверхности пола и Тв воздуха в зависимости от времени прогрева кабины транспортного средства в серийной комплектации (Тп1, Тв1) и с использованием автоматического устройства подогрева пола кабины (Тп2, Тв2)