Технические науки/ 4

Технические науки/ 4.Транспорт

Жаркенов Н.Б., магистрант группы ТТМ-13-1

Жумабаев Б.С., магистрант группы ТТМ-13-1

Научный руководитель: к.т.н., доцент Кабикенов С.Ж., Кадыров А.С., д.т.н., профессор

Карагандинский Государственный Технический Университет, Казахстан

АНАЛИЗ РАЗМЕРНОСТЕЙ ФАКТОРОВ ВЛИЯЩИХ НА ПРОБЕГ ШИН

Интенсивный рост автомобильного транспорта и повышение роли автотранспортных средств в народном хозяйстве Казахстана выдвинули в число важнейших проблему увеличения пробега шин. Шина является одним из дорогостоящих элементов автомобиля. Удельный вес затрат на шины в общем балансе эксплуатационных расходов составляет от 10% до 25% в зависимости от категории автотранспортного средства. Анализ причин отказов шин при эксплуатации их на дорогах с усовершенствованным покрытием показывает, что от 70% до 90% описываются по причине полного износа. В других дорожных условиях (карьерные, непрофилированные дороги, горные) возрастает количество отказов шин по причинам отслоения протектора, разрыва каркаса и порезы протектора/1/.

Современные тенденции развития автомобилестроения направлены на повышение таких эксплуатационных свойств автомобиля, как: грузоподъемность, скорость движения ускорения при разгоне и замедления при торможении. Повышение этих свойств, приводит к росту действующих на шины внешних нагрузок и снижению их пробега.

Срок службы шин зависит от многих факторов: условий эксплуатации, режимов движения автотранспортных средств, дорожно-климатических условий, конструкции шин и технологии их изготовления. Влияние каждого из этих факторов в различных условиях эксплуатации проявляются по-разному. В результате этого, шины выходят из строя на разной стадии пробега ниже нормативной.

В зимнее время износ шин уменьшается на 30 - 40% по сравнению с летним за счет лучшего температурного режима их работы, выравнивания дорог снегом. Выделение тепла в конкретной шине при рекомендованном давлении зависит от трех факторов:

- веса, воспринимаемого шиной;

- скорости перемещения шины по грунту;

- температуры окружающего шину воздуха и температуры поверхности

дороги/1/.

Долговечность шин зависит от большого числа разнообразных факторов, отличающихся по степени влияния, возможности учета в процессе эксплуатации и устранения их отрицательного воздействия.

Цукерберг С.М. и соавторы /3, с. 95/ отмечают, что наиболее сильно на амортизационный пробег шин из эксплуатационных факторов влияют дорожные и климатические условия, скорость движения автомобилей и превышение расчетной весовой нагрузки.

Бродский Г.И. и соавторы /4, с. 95/ пишут по этому поводу: «В числе многообразных факторов, объединяемых понятием «условия эксплуатации», можно отметить четыре основных: передаваемую через шину касательную нагрузку, изменение этой нагрузки во времени, температуру и качество дорожного покрытия.

В ряде работ факторы, влияющие на долговечность шин, классифицированы.

Классификация, выполненная Мирошниковым Л.В. и соавторами /5/, содержит пять основных групп факторов: техническое состояние автомобиля, организационно-технологические факторы, качество вождения, условия эксплуатации, конструкция и технология изготовления шин. На основе априорного ранжирования авторами установлено, что наиболее значимыми факторами являются техническое состояние автомобиля, организационно-технологические факторы, условия эксплуатации.

Аналогичные исследования выполнены Алаэддином А.М. /6/. Все факторы, влияющие на ресурс шин, объединены в восемь групп:

- эксплуатационные факторы (крутящий и тормозной моменты, боковая

сила и схождение, вертикальная нагрузка на колесо, внутреннее давление воздуха в шинах, скорость движения, режим работы автомобиля, интенсивность движения);

- техническое состояние автомобиля;

- организационно-технологические факторы;

- квалификация водителя;

- дорожно-климатические условия;

- конструкция и технология изготовления шин;

- конструкция автомобиля;

- прочие факторы (езда по горячему асфальту, длительное пребывание

автомобиля в консервации и т.д.).

Экспертный опрос показал, что наиболее значимы первые пять групп факторов. С учетом вышесказанного по возможности управления действием факторов на срок службы шин можно выделить три основные группы: управляемые, частично управляемые и учитываемые. При этом к управляемым факторам отнесем группу конструктивных и технологических факторов, которые формируются при проектировании конструкции шины и ее изготовлении.

В основу классификации, выполненной Янчевским В.А. /7/, положен принцип возможности управления факторами с позиций технической службы АО. К неуправляемым факторам отнесены состояние дороги и климатические условия. К частично управляемым - скорость движения, качество вождения и нагрузка на автомобиль. К полностью управляемым - техническое состояние автомобиля.

Рахимов Р.Х. и Власов В.М. отмечают, что отрасль автомобильного транспорта может оказывать непосредственное влияние на техническое состояние автомобиля, организационно-технологические факторы, квалификацию водителя, а на качество шин - косвенное через планирующие и регулирующие органы, а также через реализацию требований отрасли к автомобильной и шинной промышленности /8/.

Там же указывается, что для увеличения ресурса шин необходимо исключить факторы, вызывающие повышенный износ и преждевременный выход из строя.

Так как с позиций технической службы АТП непосредственно воздействовать на неуправляемы факторы невозможно, то, как предлагает Мирошников Л.В. с соавторами /9/, необходимо в зависимости от их уровней дифференцировать нормы пробега шин.

На основе выполненного анализа и в соответствии с концепцией формирования качества шин в пространстве и во времени разработана классификация (рис.), в соответствии с которой все факторы, влияющие на ресурс шин, разбиты на две группы. Факторы первой из них определяют номинал качества шин и включают конструкцию, материалы и технологию изготовления. Факторы, входящие во вторую группу, изменяют номинал качества шин в процессе эксплуатации.

Вторая группа разбита на следующие восемь подгрупп X₁...X₈.

X₁ -конструкция автомобиля: X_1.1- полная масса автомобиля и ее распределение по осям, X_1.2- конструкция рулевого управления, X_1.3-конструкция ходовой части;

X₂ -техническое состояние автомобиля: X_2.1 - состояние ходовой части, X_2.2 - состояние механизмов рулевого управления, X_2.3- состояние тормозной системы, X_2.4- состояние кузова;

X₃ -дорожные условия: X_3.1 - тип и состояние дорожного покрытия, X_3.2- продольный и поперечный профиль дороги, X_3.3- план дороги;

X₄ -режим работы: X_4.1- момент, приложенный к колесу, X_4.2- нормальная нагрузка, X_4.3- скорость движения;

X₅ -климатические условия: X_5.1 - температура окружающего воздуха, X_5.2 - наличие снега, влаги, льда на дороге;

X₆ -качество вождения: X_6.1 - характер вождения, X_6.2 - классность водителя, X_6.3 - стаж работы водителя;

X₇ -организационно-технологические факторы: X_7.1 - учет пробега, премирование за перепробег шин и удержание за недопробег;

X₈ -прочие факторы.

Конструктивные факторы определяются такими параметрами шины как наружный и внешний диаметр шины, ширина и высота шины, угол наклона нитей корда в каркасе и бреккере (радиальные и диагональные шины) и т.п.

Каждый из этих конструктивных параметров влияет на величину и характер распределения контактных напряжений и проскальзываний в контакте шины с поверхностью дороги, что и приводит к изменению интенсивности износа протектора, а также рабочей температуры шины. Изменение интенсивности износа приводит к изменению пробега шины до списания по причине полного износа протектора, а изменение рабочей температуры шины к изменению пробега шины до списания по причине разрыва или отслоения протектора от каркаса. Технологические факторы характеризуются параметрами температуры и продолжительности вулканизации, типом каучука и рецептуры резиновых смесей, типом корда и рядом других параметров.

Рисунок 1 - Классификация факторов, влияющих на ресурс шин

Причем, параметры, характеризующие технологические факторы, формируют основные физико - механические свойства резин, обеспечивающих работоспособность, долговечность и сохраняемость шин в процессе эксплуатации.

Для определения параметров влияющих на пробег шин используем так называемый Релеевский метод решения размерных систем /2/.

Известны следующие величины: давление шины P, боковая сила действующие на колесо F_б, угловая скорость w, масса Q, пробег S, ускорение силы тяжести g, радиус R, коэффициент трения качения f_k, ширина шины D , твердость покрытия T_п, абразивность А_п.

При исследовании за основную величину выражаем через массу М, веремени t и длину L.

На таблице показаны основные переменные.

Таблица

Основные переменные

№ п/п	Название переменной	Обозначение	Формула размерности	Единица измерения
1	Давление шины	P	M ∙ t^-2∙L^-1	Н/м²
2	Боковая сила действующие на колесо	F_б	M ∙L^-1∙ t ^-2	Н
3	Угловая скорость	w	t ^-1	1/c
4	Масса	Q	M	кг
5	Пробег	S	L	м
6	Ускорение силы тяжести	g	L∙ t ^-2	м/c²
7	Радиус	R	L	м
8	Коэффициент трения качения	f_k	L	м
9	Ширина шины	D	L	м
10	Твердость покрытия	T_п	M ∙ t^-2∙L^-1	Н/м²
11	Абразивность	А_п	M ∙ t^-2∙L^-1	Н/м²

Имеем одинадцать переменных и три основные размерности. Эту систему легко разбить на безразмерные комбинации, не прибегая к формальному методу Релея. Например, логично первую комбинацию записать как S/R, тогда второй комбинацией может быть S/ f_k, а третьей S/D.

Когда безразмерные комбинации подбираются таким образом, каждая переменная должна появиться хотя бы один раз.

Допустим теперь, что между этими величинами существует следующее соотношение:

μ (P^α, F_б^β, w^γ, Q^ι, g^j, R^q, f_k^e,D^l, T_п^s, А_п^k)= S (а)

Подставим сюда вместо символов размерности из таблицы:

μ ((M ∙ t^-2∙L^-1)^α, (M ∙L^-1∙ t ^-2)^β, (t ^-1)^γ, M^ι, (L∙ t ^-2)^j, L^q, L^e, L^l, (M ∙ t^-2∙L^-1)^s, (M ∙ t^-2∙L^-1)^k)= L (б)

Чтобы данное уравнение было однородным относительно размерностей, должны выполняться следующие соотношения между показателями степени:

для M: 0=α+β+ι+s+k

для L: 1=-α-β+j+q+e+l+s -k

для t: 0=-2α+2β-γ-2j -2s -2k

Имеем три уравнения с 10 неизвестными. Упростим их, исключив s,j и γ. Тогда s=-α-β-ι-k, j=-q-e-l- ι -1 и γ=-2j +4β +2ι. Подставляя эти соотношения для показателей степени в формулу (а), получаем

μ (P^α, F_б^β, w^-²^j^+4β+2ι, Q^ι, g^-^q^-^e^-^l^-^ι^-¹, R^q, f_k^e,D^l, T_п^-^α^-^β^-^ι^-^k, А_п^k)= L

Объединяя члены с одинаковыми показателями степени, легко составить безразмерные и размерные комбинации

μ [ (P/ T_п)^α,( F_бw⁴/T_п)^β,( Qw²/T_п)^ι,( R/g)^q,( f_k/g)^e,(D /g)^l,( А_п/ T_п)^k] = L

Десять первоначальных переменных задачи дают пять безразмерных комбинаций.

В данном случае имеется всего пять безразмерные комбинации, хотя к этому выводу невозможно прийти лишь с помощью анализа размерностей. Однако совершенно очевидно, что анализ размерностей позволяет упростить эксперимент.

Таким образом, проведенный анализ размерностей переменных позволяет разработать мероприятия по повышению показателей надежности автомобильных шин для устойчивости движения большегрузного карьерного автомосамосвала. Внедрение этих мероприятий позволит оценить показатели надежности и затраты на поддержание шин в работоспособном состоянии, определить прогнозируемый ресурс шин по эксплуатационным показателям.

Литературы:

1. Кубраков В.П. Влияние режимов нагружения и дорожных факторов на износ шин. //Волгоград, 1995. / Диссертация канд. тех. наук, - с. 177.

2. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972. - 381 с.

3. Цукерберг С.М., Косолапов Г.М., Тарновский В.Н. Исследование износостойкости протектора автомобильных шин в условиях стендовых испытаний. // Труды ВолгПИ. - Волгоград. - 1976, - с. 48 - 50.

4. Бродский Г.И., Евстратов В.Ф., Лохина П.И. Характер и интенсивность износа автомобильных шин в зависимости от типа дорожного покрытия. // сб. «Фрикционный износ резин» - М. Химия - 1964,- с. 227 - 237.

5. Мирошников Л.В., Нечипоренко А.Г. и др. Сравнительные дорожные испытания крупногабаритных радиальных и диагональных шин на автомобилях самосвалах БелАЗ. «Автомоб. Пром-сть», 1980, №9, с. 14 - 16.

6. Алаэддин А.М., Боровой М.В. Исследование абразивного износа шин на различных типах дорожных покрытий. //Тр. МАДИ - 1979 - №174 - с. 84 - 91.

7. Янчевский В.А., Паршин А.С., Новопольский В.А., Финк Ю.М. Характер износа шин при движении автомобиля по криволинейной траектории. // Тр. МАДИ - 1973 вып. 55-с. 21-24.

8. Рахимов Р.Х., Власов В.М., Медеркулов Д.М. Экспериментальное исследование износа автомобильных шин типа PC в различных дорожных условиях. // Автодорстрой : НТВ / Украина, - Киев, 1966 - с. 87 - 90.

9. Нечипоренко А.Г. и др. Сравнительные дорожные испытания крупно-габаритных радиальных и диагональных шин на автомобилях самосвалах БелАЗ. «Автомоб. Пром-сть», 1980, №9, с. 14 - 16.