Улучшение эксплуатационных характеристик прицепных автотранспортных средств на основе эффективных научно-технических решений

На правах рукописи

СЛИВИНСКИЙ ЕВГЕНИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

Улучшение эксплуатационных характеристик

прицепных автотранспортных средств на основе

эффективных научно-технических решений

05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Орел - 2010 г

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина» и государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Корчагин Виктор Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Баженов Светослав Петрович

доктор технических наук, профессор

Болдин Адольф Петрович

доктор технических наук, профессор

Волков Владимир Сергеевич

Ведущая организация: государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет».

Защита диссертации состоится 22 октября 2010г. в 10 часов 00 минут на заседании диссертационного совета ДМ.212.182.07 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Орловский государственный технический университет» по адресу: 302030, г. Орел, ул. Московская, д. 77, ауд. 426.

Отзывы на автореферат направлять в диссертационный совет по адресу: 302020, г. Орел, ул. Наугорское шоссе, д. 29.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Орловского государственного технического университета.

Автореферат разослан и опубликован на сайте ВАК РФ

«___» 2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Севостьянов А.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Эффективным способом повышения производительности автомобильных перевозок является применение прицепных автотранспортных средств (ПАТС), состоящих из тягачей с прицепами и полуприцепами различных типов и назначения. Совершенствование автопоездов связано с необходимостью увеличения скоростей движения и объема перевозимых грузов, обеспечением эксплуатационной надёжности и повышением сохранности грузов. Уровень технико-экономических показателей транспортных средств непрерывно возрастает, что во многом определяет потребность наличия их конкурентных преимуществ. При неустановившихся режимах движения ПАТС, вследствие изменения тяговых, тормозных и возмущающих сил от неровностей дорог возникают перемещения прицепных звеньев относительно друг друга в горизонтальной и вертикальной плоскостях их движения. Такие перемещения существенно сказываются на управляемости автопоездов, а также на прочности и надёжности их узлов и деталей. Характер колебаний звеньев автотракторных поездов сходен с колебаниями рельсового подвижного состава, и поэтому подходы изучения таких процессов и методик в целом одинаковы. В то же время известно, что все динамические нагрузки в движении автотракторных поездов воспринимаются не только опорно-сцепными их устройствами, но и подвесками рессорных комплектов, а, следовательно, и их рамными конструкциями и кузовами.

В процессе многолетнего опыта проектирования и эксплуатации тягачей и прицепов их рамы приняли определённые компоновочные формы но, не- смотря на это, они не отвечают всё возрастающим требованиям надёжности и снижения их металлоёмкости. Особые требования предъявляют к конструкции рессорного подвешивания и гасителям колебаний, устанавливаемых в ней.

Учитывая вышеизложенное, видно, что существующие конструкции автотракторных поездов ещё далеки до совершенства, методы расчета их конструктивных параметров не всегда позволяют установить их сложное напряжённое состояние и дать реальную оценку при выборе соответствующих конструкционных материалов и оптимальных геометрических характеристик узлов, деталей, а также несущих конструктивных элементов. Поэтому актуальность представленной работы заключается в разработке новых, неизвестных мировой практике создания и модернизации более совершенных конструкций автотракторных поездов, обладающих повышенной производительностью, необходимой плавностью хода, повышенной надёжностью, сравнительно невысокой металлоёмкостью, с использованием более простых и эффективных опорно-сцепных устройств, несущих систем шасси и конструкций самосвальных и стационарных кузовов, модернизации рессорного подвешивания за счёт использования торсионных рессор, простых по устройству гидравлических демпферов и т.д. Актуальность темы подтверждается выполнением с участием автора проблемных НИОКР с Ташкентским тракторным заводом, результатом которых является организация серийного производства тракторных самосвальных прицепов 2ПТС-4-793А и автомобильных полуприцепов модели ТМЗ-879М. Все разработки, созданные в процессе выполнения указанных исследований, защищены 295 патентами на изобретения. Ряд разработок, созданных на уровне изобретений, таких как «Кузов самосвального транспортного средства» А.С.СССР №715368 внедрён Казахстанским грузовым управлением Каз. ССР в 1982 г. и на Ташкентском тракторном заводе в 1985 г.; «Прибор для испытания автотракторных поездов» А.С.СССР, №511529 и №245725, и «Устройство для ускоренных испытаний автотракторных прицепов» №1204988 внедрены на Ташкентском тракторном заводе в 1979 г. и в 1983 г.

Цель и задачи работы. Цель-повышение эксплуатационных характеристик прицепных автотранспортных средств на базе созданных научных основ по оценке работоспособности и эксплуатационной надёжности новых и модернизированных в эксплуатации конструкционных элементов автотракторных прицепных средств. Для достижения цели поставлены и решены следующие взаимосвязанные задачи:

• проведение сравнительного анализа существующих конструкций прицепных автотранспортных средств и обоснование необходимости использования перспективных технических решений, разработанных на уровне изобретений, обеспечивающих повышение эффективности использования автомобильного транспорта;

• проведение аналитических исследований с разработкой расчётных схем и обобщённых математических моделей, а также создание комплексов программ к ним, позволяющих с использованием ЭВМ производить численные расчёты рациональных кинематических и геометрических параметров конструкционных элементов автотракторного подвижного состава;

• выполнение комплекса теоретико-экспериментальных исследований по моделированию переходных процессов, характеризующих нестационарные режимы напряжённого состояния несущих систем и ходовых частей прицепов и полуприцепов в зависимости от характера их движения и условий эксплуатации;

• разработка практических рекомендаций по модернизации ряда узлов несущих систем и деталей кузовов, обладающих меньшей металлоёмкостью, повышенной эксплуатационной надёжностью и безопасностью движения автотранспортных средств;

• обобщение и дополнение конструкторско-технологических и эксплуатационных принципов обеспечения работоспособности и эксплуатационной надёжности деталей и узлов перспективных конструкций в условиях широкого варьирования амплитудно-частотного спектра воспринимаемых колебаний от динамического воздействия со стороны различного типа дорог и бездорожья на ходовые части звеньев автотракторных поездов.

Объект исследования – прицепные автотранспортные средства и процессы улучшения их эксплуатационных характеристик на основе новых эффективных научно-технических решений.

Теоретико - методологическоие основы исследования. Диссертационное исследование проведено путём формирования новых положений и научной аргументации предложений на основе многочисленных трудов отечественных и зарубежных учёных в области улучшения эксплуатационных характеристик автоприцепных средств. При выполнении работы использован метод системного анализа, математического моделирования и взаимного влияния кинематических и геометрических характеристик предложенных конструкций автотракторного подвижного состава, а также численные методы, в том числе, аппарат дифференциальных и алгебраических уравнений с применением традиционных способов их решения на базе разработанных алгоритмов и компьютерных программ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке, теоретическом обосновании, экспериментальной апробации и практической реализации комплекса принципиально новых технических решений, обеспечивающих повышение качеств, эксплуатационной надежности и управляемости прицепных транспортных средств, включающих устройства гашения колебаний, балансировки колес, систем торможения, несущих конструкций, гидравлического оборудования и опорно-сцепных устройств, отличающихся на теоретическом уровне возможностью учета в расчетных моделях динамики движения много массовых  систем, влияния геометрических отклонений, упругости элементов и нестационарного силового нагружения, вызванного пространственными колебаниями прицепных автотранспортных средств.

Научные положения, выносимые на защиту:

1.Научно-методические и численно реализованные математические модели динамики движения ПАТС, представленные в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений многомассовых систем автомобильных прицепов и полуприцепов, отличающиеся возможностью учета наличия зазоров, микро - и макроотклонений геометрии поверхностей опорно-сцепных устройств, инерционных и упругих свойств элементов конструкции, позволяющие определить параметры колебания и условия устойчивости движения ПАТС в эксплуатационных условиях.

2. Теретико-методологические положения, на основе которых разработаны принципиально новые эффективные технические решения систем торможения, амортизаторов, опорно-сцепных устройств, а так же инструментальных средств их проектирования, позволяющие обеспечить рациональные динамические характеристики и устойчивость движения ПАТС с учетом влияния геометрических, кинематических и силовых факторов, инерционных и упругих свойств элементов конструкций в реальных условиях эксплуатации транспортных средств.

3. Теоретическое обоснование предложенной совокупности инновационных технических решений, математических моделей и методик расчета опорно-сцепных устройств ПАТС обеспечивают повышение динамических качеств, устойчивости, безопасности движения и эксплуатационной надёжности.

4. Теория и новые методы осуществления автоматической балансировки колес безрельсовых транспортных средств за счёт использования подвижных тел качения исключают дисбаланс колёс вне зависимости от его возникновения и положения в эксплуатационных условиях относительно оси вращения ступицы колеса

5. Выявленные на основании теоретических и экспериментальных исследований закономерности влияния геометрических, кинематических силовых параметров и факторов состояния дорожного покрытия на колебания, устойчивость и безопасной эксплуатации ПАТС позволяют предложить рекомендации по совершенствованию устройств по стабилизации движения транспортных средств.

Практическая значимость результатов работы.

1. Дана оценка известных мировой практике несущих систем безрельсовых транспортных средств, а также обоснование конструктивных особенностей предложенных технических решений, способных повысить эффективность исследуемого автотракторного подвижного состава в условиях эксплуатации, что позволит выполнить:

- качественное ознакомление с результатами систематизации известных технических решений в области повышения плавности хода безрельсовых транспортных средств, примерами их конструктивного исполнения и рационального выбора конструктивных схем разработанных узлов, способствующих упрощению конструкции прицепных звеньев автотракторных поездов, снижению финансовых и временных затрат на их проектирование, доводку по установлению рациональных кинематических и геометрических параметров применительно к реальным условиям эксплуатации транспортных средств;

- устранение конструкционных недостатков существующего парка автотракторных прицепов и полуприцепов и различного рода вспомогательных устройств к ним, препятствующих ограничению амплитуд основных видов вынужденных колебаний, вызывающих перемещения как их кузовов, так и прицепных звеньев в целом, и силовое нагружение несущих систем за счёт использования предложений на уровне изобретений, повышающих безопасность и плавность хода с более низким порогом динамического нагружения не только рам несущих кузова, но и других узлов и деталей составных элементов конструкций.

2. Систематизированы в единый комплекс:

- методика оценки эксплуатационной нагруженности и надёжности узлов и деталей, образующих конструкцию прицепных звеньев автомобильного подвижного состава в целом;

- аналитические соотношения для оценки динамических нагрузок воздействующих на систему «тяговое транспортное средство - прицепное звено», а также их сопоставление с ожидаемыми при варьировании конструктивными характеристиками перспективных технических решений, входящих в конструкции прицепных звеньев;

- научно обоснованные рекомендации по расширению эксплуатационных характеристик по обеспечению работоспособности и безопасности движения при режимах торможения автотракторных поездов, движущихся с более высокими скоростями, исключая резонансные явления в системе «тяговое транспортное средство - прицепное звено»;

- наборы расчётных соотношений, необходимых для оценки кинематических и геометрических параметров предложенных технических решений применительно к известным типам и моделям безрельсовых транспортных средств, входящих в состав автотракторных поездов, имеющих различные габаритные и весовые показатели.

Указанный комплекс научно-технических решений обеспечит несущую и качественную способность перспективных конструкций прицепных звеньев за счёт рационального распределения динамических нагрузок в узлах их конструкционных элементов, решит вопросы устойчивости движения в составе поезда, обеспечит безопасность движения их с высокими скоростями, повысит грузоподъёмность и эффективность грузоперевозок.

Реализация результатов работы.

1. Основная часть результатов работы внедрена Ташкентским тракторным заводом (ТТЗ) в конструкцию автотракторного самосвального прицепа 2ПТС-4-793А, предназначенного для перевозки различных грузов, и в конструкцию автомобильного полуприцепа модели ТМЗ-879М, поставленных соответственно на серийное производство в 1981 и 1988 г. Экономический эффект от использования указанных машин в производстве и эксплуатации по ценам 1988 г. составил более 20,0 млн. руб. в год. (Внедрение указанных машин подтверждается материалом, представленным в изданной автором монографии, см. раздел «Публикации»).

2. В период 2003-2006 гг. выполнена госбюджетная тема «Динамика прочность и надёжность транспортных машин и машин агропромышленного комплекса, используемых в Чернозёмном регионе РФ», а также комплекс НИР с заводами ОАО «Елецгидроагрегат», «Гидропривод» и рядом автотранспортных предприятий г. Ельца и Липецкой области. Разработаны 75 технических решений на уровне изобретений РФ перспективных конструкций автотракторных поездов и отдельных узлов, математические и программные модели, позволившие обосновать конструктивные характеристики ПАТС с последующей оценкой их экономической эффективности в эксплуатационных условиях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научно-технических и научно-практических конференциях различного уровня: Всесоюзный съезд по теории машин и механизмов, 1977 г., г. Алма-Ата; Всесоюзная научно-техническая конференция «Повышение агротехнических показателей, технического уровня и качества сельскохозяйственных машин для зоны орошаемого земледелия» 1984 г.,

г. Ташкент; Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Ташкент. 1986 г.; 1-ая Международная научно-практическая конференция. «Формирование и реализация стратегии технического и социально-экономического развития предприятий», Пенза 2003 г.; 2-я Всероссийская научно техническая конференция. «Состояние и перспективы развития сервиса», г. Самара. 2006 г.; 3-й международный симпозиум «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии», г. Орёл 2006 г.; международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения». Основы проектирования и детали машин – 21 век, Орёл 2007 г.

Достоверность полученных научных результатов обеспечена корректностью постановки задач исследования, обоснованностью используемых теоретических построений, принятых допущений, применением апробированных аналитических и численных методов анализа, а также подтверждена качественным и количественным согласованием полученных результатов с собственными аналитическими и экспериментальными данными, в том числе полученными другими исследователями, и возможным внедрением в практику производственными структурами, занимающимися проектированием, конструированием, эксплуатацией, ремонтом и изготовлением автотракторных тягачей, прицепов и полуприцепов к ним.

Личный вклад автора заключается в разработке концепции и формировании идеи и цели работы, в постановке задач и их решении, в разработке теоретико-методологических и методических положений для элементов научной новизны исследования, новых методик, научно-технических решений, математических моделей и подходов на всех этапах выполнения диссертации. Вкладом автора в развитие науки является разработка на теоретическом уровне с учетом в исследуемых расчетных схемах и математических моделях по изучению колебаний и силового нагружения конструкционных элементов прицепных транспортных средств влияния геометрических отклонений масс, имеющих упругие связи между собой, изучение нестационарного силового нагружения и их колебаний, вызванных пространственными перемещениями прицепных звеньев автотракторных поездов.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 монографии; 23 статьи в центральных научных рецензируемых изданиях, входящих в «Перечень ВАК»; 245 - в материалах докладов на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях и опубликованных в сборниках статей; получено 249 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 340 наименований и приложения, содержит 334 страницы машинописного текста, 60 рисунков, таблиц 11.