Обоснование параметров малогабаритных транспортных средств сельскохозяйственного назначения с широкими функциональными возможностями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Обоснование параметров малогабаритных транспортных средств сельскохозяйственного назначения с широкими функциональными возможностями

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Дзоценидзе Т.Д.

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»

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.

Обеспечение транспортными средствами (грузовыми автомобилями) КФХ остается низкой - в среднем по стране 1 автомобиль на два хозяйства, при неравномерном распределении по регионам (Тамбовская обл. - 0,9 автомобиля на 1 КФХ, из них полностью самортизированы - 0,33; Курская обл. - 0,6 и 0,37, соответственно). Применение изношенной техники увеличивает себестоимость продукции, а значительные ресурсы приходится направлять на ремонт. Сегодня важно понимать, что в области транспортного обеспечения КФХ и ЛПХ необходимо не только наращивание транспортных мощностей, но и рост годовой загрузки и выработки транспортных средств по сравнению с затратами на их приобретение и эксплуатацию. Это невозможно реализовать без создания и производства грузопассажирских и грузовых автомобилей высокой проходимости и различной грузоподъемности, приспособленных к условиям круглогодичной эксплуатации на селе. Иными словами, для КФХ и ЛПХ нужны именно малогабаритные малотоннажные транспортные средства высокой проходимости, грузоподъемностью от 300 кг (грузоподъемность большинства легковых автомобилей) - до 1,0…2,0 т. Верхний предел грузоподъемности в большей степени востребован в КФХ с земельными угодьями около или более 100 га и товарными ЛПХ. Для трети КФХ (площадь обрабатываемых угодий до 60 га - около 30% хозяйств) и для подавляющего большинства ЛПХ (площадь обрабатываемых угодий 0,8 га - около 50% хозяйств) грузоподъемность МТС можно ограничить 800 кг. С другой стороны, низкий уровень механизации в КФХ и, особенно, ЛПХ подтверждает необходимость создания МТС с дополнительными функциональными возможностями для выполнения вспомогательных операций на сельском подворье.

В работах Л.Е. Агеева, И.А. Афанасьева, А.А. Бакаева, В.Ф. Ванчукевича, Д.П. Великанова, А.В. Вельможина, В.А. Гобермана, Н.Е. Евтушенкова, Ю.В. Завадского, Ф.С. Завалишина, А.А. Зангиева, В.А. Зязева, А.Ю. Измайлова, Л.Ф. Кормакова, А.Г. Левшина, Н.И. Левыкина, С.К. Миронюка, Б.С. Окнина, К.-Ю. Рихтера, Р.Ш. Хабатова, М.С. Ходоша, С.М. Цукерберга, Е.П. Шилова и многих других исследованы вопросы оптимизации сочетания производительности технологической машины сельскохозяйственного назначения, компенсаторов в виде различных емкостей, особенности организации грузопотоков и грузоперевозок при различной длине ездки и урожайности убираемой культуры, производительности грузовых транспортных средств и затрат на перевозку продукции. Однако для оптимизации параметров и показателей, которые были бы использованы при разработке типажа транспортных средств в дальнейшем, целесообразно использовать графо-аналитический способ ускоренного качественного сравнения или принцип качественного сравнения. Этот принцип подразумевает сравнение производительности и себестоимости минимум двух автомобилей сопоставимого класса и грузоподъемности требует «адаптации» к специфическим условиям эксплуатации. При этом важное значение приобретает такой параметр как техническая скорость, так как автомобили высокой проходимости в условиях бездорожья сохраняют подвижность и обеспечивают большие значения скоростей. По производительности сравнивают автомобили (индексы 1 и 2), при работе которых может быть получена различная производительность в зависимости от соотношений эксплуатационных показателей и изменения одного из них во всем реальном диапазоне. Сравнение ведется по «равноценному» значению изменяющегося показателя. При этом - производительность одного автомобиля в выполненных тонно-километрах за один автомобиль-час пребывания на линии:

, ткм/авт-ч. (1)

В этой формуле - грузоподъемность автомобиля, т;

- коэффициент динамического использования грузоподъемности, определяющий отношение количества фактически выполненных тонно-километров к количеству тонно-километров, которые могли быть выполнены при полном использовании грузоподъемности автомобиля. Здесь - фактически перевезенный груз за одну ездку, т, а - расстояние перевозки, км; - время погрузки-разгрузки, ч; - длина ездки с грузом, км; - коэффициент использования пробега при производительности в тонно-километрах и определяется как отношение пробега автомобиля с грузом к общему пробегу (к сумме пробегов с грузом и без груза).

При изменении коэффициента использования пробега из формулы (1) для обоих автомобилей определяем «равноценный» , при котором их производительности равны. Принимая, что средняя длина ездки с грузом для обоих автомобилей одинакова, а остальные показатели в общем случае разные, получаем

.

Решая это равенство относительно величины , после соответствующих преобразований получим

. (2)

Так как производительности сравниваемых автомобилей равны, то при увеличении против найденной величины один из автомобилей будет иметь большую производительность. Если уменьшается, уже другой автомобиль приобретает преимущество по производительности (рис. 1, а).

Кривые производительности пересекаются в первом квадранте в том случае, когда имеем положительное и конечное значение при условии:

и

или

 и .

При кривые 1 и 2 не пересекаются и =0. Взаимное положение кривых в этом случае показано на рис. 1, б, где точки А и Б соответствуют величинам максимальной производительности при =1.

Аналогично исследуется влияние изменения технической скорости, времени погрузочно-разгрузочных работ и длины ездки с грузом, при которых производительность автомобилей одинакова. Общие формулы можно упростить при равенстве каких-либо входящих в них величин. Сравнение автомобилей по себестоимости перевозок происходит аналогично сравнению по производительности путем нахождения «равноценного» значения показателя, при котором себестоимости одинаковы (рис. 2). Так как одной из базовых модификаций семейства МТС намечается транспортное средство - самосвал, то определенный интерес представляет сравнение показателей бортового автомобиля и автомобиля-самосвала. Очевидно, что применение автомобиля-самосвала сокращает - машина может совершить больше ездок, а - возрасти. Уменьшение при этом грузоподъемности из-за дополнительного оборудования приведет к снижению и возникает необходимость оценить, в каких случаях применение автомобилей-самосвалов может быть более выгодным (рис. 3).

Для обеспечения сельхозпроизводителей транспортными средствами ранее были разработаны опытные образцы разнообразных машин. Например, в виде 1,5 тонных фургонов НАМИ-0267 (рис. 4). Кроме того, было разработано семейство транспортно-технологических автомобилей НАМИ-0342 типа 4х4 грузоподъемностью 0,5 т (рис. 5). Эти автомобили могли работать в сельском хозяйстве, они были оборудованы передним и задним валами отбора мощности, специальными устройствами для агрегатирования разного рода технологического оборудования. Автомобиль по своим параметрам соответствовал тракторам класса тяги 0,2…0,6 т и мог работать со шлейфом навесных сельскохозяйственных орудий от тракторов Т-18 и Т-25.

Рис. 1, а) Производительность автомобилей 1 и 2 при наличии «равноценного» коэффициента

Рис. 1, б) Производительность автомобилей 1 и 2 при отсутствии «равноценного» коэффициента

Рис. 2. Себестоимость перевозок автомобилями 1 и 2 в зависимости от использования пробег



Рис. 3. Себестоимость перевозок автомобилями 1 и 2 в зависимости от использования пробега

Рис. 4. Автомобиль-фургон НАМИ-0267 грузоподъемностью 1,5 т.

Рис. 5. Транспортно-технологический автомобиль НАМИ-0342 грузоподъемностью 0,5 т.



Рис. 6. Транспортно-технологический автопоезд КАЗ-4540.

В 70-х гг. ХХ века возникла необходимость разработки и организации производства транспортно-технологических автомобилей, способных круглогодично работать на грунтовых дорогах и в полевых условиях со специальными и специализированными прицепными средствами. Согласно расчетам, наиболее массовым должен был быть автопоезд с полной массой не более 24 т, в составе автомобиля-тягача с полной массой до 12 т и грузоподъемностью до 6 т, и двухосного прицепа грузоподъемностью до 5…6 т (рис. 6). Серийное производство семейства КАЗ-4540 было начато в 1984 году. Эксплуатация показала, что производительность транспортных работ в сельском хозяйстве возросла примерно в 2 раза при снижении расхода топлива и уменьшения вредного воздействия на окружающую среду.

Путем исследования научных основ создания грузовых автомобилей сельскохозяйственного назначения установлено, что одним из основных способов повышения эффективности транспортных процессов является применение грузовых автомобилей высокой проходимости, отличающихся вариантностью исполнения и комплектации (наличием модификаций); широким диапазоном регулирования скорости; шинами с регулируемым давлением воздуха; возможностью применения навесного оборудования и современными дизайнерскими решениями.

В третьей главе разработаны научные основы создания семейства МТС. Анализ подходов и реализованного опыта по созданию универсальных машин сельскохозяйственного назначения и мобильных энергетических средств (МЭС) показал, что попытки повторить путь создателей Унимог, равно как и перейти на широкомасштабное применение МЭС закончились неудачей. Однако создаваемое семейство МТС с широкими функциональными возможностями в виде автомобиля высокой проходимости, способного выполнить вспомогательные операции в КФХ, ЛПХ и сельском подворье - проще и дешевле для реализации идеи универсализации.

Изучение возможных аналогов иностранного производства и отечественного опыта позволяет заключить, что рыночная ниша транспортных средств с широкими функциональными возможностями для КФХ и ЛПХ грузоподъемностью до 2 т пустует, прямых аналогов таких машин нет, и годовая потребность отечественного рынка может составить до 30 тыс. штук в год. На этапе конструирования одним из направлений теоретических исследований является разработка математической модели динамики движения МТС по деформируемому грунту. Для нашего случая исследования к разрабатываемой математической модели можно сформулировать следующие основные требования: соответствие внешних воздействий в математической модели и условиям реальной эксплуатации; учет переменного характера сил сопротивления качению по мостам автомобиля из-за образования колеи при движении по деформируемым грунтам; возможность динамического анализа системы в частотном диапазоне, включающем все характерные режимы нагружения трансмиссии и подвески от дорожных неровностей (обычно, 0…40 Гц).

Была разработана нелинейная математическая модель МТС с колесной формулой 4х4, расчетная динамическая схема которой представлена на рис. 7.

Система дифференциальных уравнений, описывающая динамику движения МТС, имеет вид (3), где:

- - моменты инерций, соответственно, вращающихся масс двигателя; ведомой части сцепления; деталей первичного вала коробки передач и части вращающихся деталей, связанных с ним, приведенные к первичному валу; деталей вторичного вала коробки передач и части

Рис. 7. Расчетная динамическая схема МТС

 (3)

вращающихся деталей, связанных с ним, приведенные к вторичному валу; вращающихся частей колесных дисков; колес и резинокордной оболочки шин переднего и заднего мостов автомобиля; переднего и заднего мостов, поворачивающихся под воздействием реактивных моментов; подрессоренной массы автомобиля, кг·м²;

- - подрессоренная масса автомобиля и неподрессоренные массы соответственно переднего и заднего мостов, кг;

- - суммарные крутильные жесткости, соответственно, демпфера крутильных колебаний; валов раздаточной коробки и карданных валов привода переднего и заднего мостов автомобиля; продольные и вертикальные жесткости рессор и шин переднего и заднего мостов автомобиля; суммарные крутильные жесткости резинокордной оболочки шин переднего и заднего мостов автомобиля; суммарные крутильные жесткости рессор при угловых колебаниях мостов в продольной плоскости,

Н·м·рад^-1;

- - суммарные зазоры в соединениях деталей коробки передач, приведенных к первичному валу; редукторов переднего и заднего мостов автомобиля; в тягово-сцепном устройстве, соответственно, м;

- - общее передаточное число коробки передач и раздаточной коробки;

- - передаточное число главной передачи ведущих мостов;

- - радиусы качения колес ведущих мостов автомобиля, м;

- - координаты центра тяжести подрессоренной массы автомобиля, м;

- - угловые обобщенные координаты масс;

- - линейные обобщенные координаты соответствующих масс в вертикальном направлении, м;

- - линейные обобщенные координаты соответствующих масс в горизонтальном направлении, м;

- - высоты неровностей микропрофиля дороги, м;

- - ход рейки топливного насоса, м;

- - силы сопротивления, Н;

- - силы сухого трения, Н;

- - крутящий момент двигателя, Н·м;

- - момент сопротивления вращению валов трансмиссии, приведенный к валу двигателя, Н·м;

- - приведенная суммарная жесткость участка трансмиссии «раздаточная коробка - колесо»:

где - крутильные жесткости полуосей переднего и заднего мостов автомобиля, Н·м^-1.

В последних трех уравнениях приведенной выше системы уравнений использована формула записи инерционных членов следующего вида (4):

. (4). . (5).

В случае постоянных значений соответствующих масс и моментов инерции их можно вынести за знак дифференцирования. Тогда форма записи инерционных членов будет аналогичной формы записи других уравнения системы. В случае переменных значений инерционных характеристик и получим (5). Это справедливо если МТС работает в технологической цепочке с машинами сельскохозяйственного назначения и загружается на ходу равномерно. Однако в большинстве случаев МТС не предназначена для транспортной технологии такого рода.

Аналогично известным математическим моделям динамики автомобиля система дифференциальных уравнений (3) в процессе моделирования различных режимов движения позволяет выделить режимы, когда: сцепление буксует, автомобиль начинает движение; сцепление заблокировано, автомобиль разгоняется и движется с постоянной скоростью; сцепление отключено, производится переключение передач. Система уравнений (3) описывает первый из перечисленных режимов движения. На втором режиме в упомянутой системе изменяются первые два уравнения:

. (6)

На третьем режиме изменяются первые четыре уравнения:

, (7)

где - момент трения синхронизатора.

На современном этапе развития транспортных средств для АПК на передний план выходят требования экологии земледелия и конструктивной безопасности. Поэтому для МТС локализация технических требований, предъявляемых к средствам механизации сельскохозяйственного назначения в объеме требований экологии земледелия - представляется обоснованной и достаточной. При этом исходим из того, что:

- технические требования к МТС могут быть локализованы в объеме требований по безопасности, предъявляемых машинам сельскохозяйственного назначения;

- перечень функциональных возможностей МТС определяется требованиями в той мере, в которой рассматриваемая функция может быть реализована в конкретной модификации;

- МТС является транспортным средством индивидуального и семейного пользования, что, со своей стороны, определяет перечень требований по активной и пассивной безопасности.

Синтез технических требований исключает противоречия внутри массива локализованных технических требований. На его основе разработан ГОСТ Р «Автомобильные транспортные средства специальные с широкими функциональными возможностями. Общие технические требования».

В четвертой главе описано математическое моделирование процессов взаимодействия МТС с деформируемым грунтом с учетом требований экологии земледелия. По этой проблеме были проанализированы основные виды вредных воздействий, важнейшими из которых можно признать уплотнение почвы, разрушение поверхности почвенного слоя и водную эрозию почвы. Такого рода воздействие обусловлено взаимодействием движителей транспортной (или транспортно-технологической) машины с деформируемым грунтом (почвой). Поэтому более детальное изучение проблемы воздействия сельскохозяйственного транспорта на плодородие почв является актуальной. Рост количества машин на полях и их весовых показателей привел к снижению урожайности, причем существенно. Для изучения вредного воздействия необходимо определить некую совокупность показателей, позволяющих оценить степень воздействия движителя на деформируемый грунт (почву) при условии обозначения пределов воздействия на почву.

Проведенный анализ литературных источников показал, что подходящими для учета экологических требований к движителю являются: по нормальным давлениям и касательным напряжениям в контакте - модель Н.А. Ульянова; по оценке влияния буксования и числа проходов колеса по одной колее - модель М.П. Чистова, а по комплексной оценке вредного воздействия движителя на почву - методический подход и оценочные показатели, разработанные в научном коллективе под руководством С.Б. Шухмана. Путем проведения согласования выбранных расчетных моделей и сводя в единую систему последовательность проведения математических операций, получаем возможность не только оценить соответствие параметров конкретного автомобиля экологическим требованиям, но и разработать требования к параметрам новых моделей шин той или иной размерности с требуемой совокупностью потребительских качеств. Таким образом, приведенная в данной главе математическая модель взаимодействия колеса с грунтом позволяет использовать на практике, в рамках решаемой задачи, накопленные к настоящему времени теоретические знания.

Законы деформации грунта (рис. 8):

;

шины: ,

где коэффициент полной деформации грунта; радиальная деформация шины; - критическое значение радиальной деформации шины.



Рис.8. Схема взаимодействия пневматической шины с деформируемым грунтом

Рис.9. Внешний вид шины типа Свампер Боггер

Экологические показатели в определенном смысле не коррелируются с параметрами проходимости и, в определенной степени, можно говорить о противоречии. Предложенная ранее методика определения экологичности ходовых устройств на основе экспертных оценок не является достаточной для оценки экологичности движителей и не позволяет учесть показатели проходимости, зависящие от компоновки, способов управления или режима работы. Предложенный ранее в качестве оценочного критерия коэффициент воздействия движителя на почву учитывает снижение репродуктивных возможностей в колее не только от вертикальных нагрузок на колесо, но и от буксования движителя. Например, если =0, то воздействия на почву нет; если =1, воздействие на почву несовместимо с восстановлением нормальных процессов жизнедеятельности в колее в течение как минимум одного года.

Однако более детальный анализ показывает, что транспортное средство высокой проходимости и транспортное средство, в конструкции которого учтены требования экологии земледелия, - это все же разные машины, а решаемые задачи по своему математическому содержанию являются многокритериальными с противоречивыми целевыми функциями. Для получения корректных данных необходимо обоснованное определение допустимого множества решений и допустимых пределов изменения параметров. В таком случае для математического моделирования погружения движителей в грунты принимаем полуэмпирический метод, имея в виду, что при разработке математической модели уравнения деформации грунта, взаимодействия эластичного движителя с деформируемым грунтом, параметры, учитывающие экологические показатели должны быть решены относительно соответствующих параметров шин, позволяющих оценить имеющиеся в производстве модели и, в случае необходимости, поставить задачу создания новых шин. Были приняты соответствующие допущения, и уравнения равновесия имеют вид:

, (18)

где и - нормальные и продольные реакции в контакте с поверхностью движения; и - моменты сопротивления движению; - масса транспортного средства; - сила тяги на крюке; - глубина колеи; - высота центра тяжести, высота расположения тягово-сцепного устройства без учета прогиба шины и прогиб шины соответственно; - база транспортного средства и координата центра тяжести соответственно (рис. 10).

Рис. 10. Расчетная схема прямолинейного движения МТС по деформируемому грунту

После получения расчетных параметров шины, их значения необходимо проанализировать с учетом экспериментальных данных. При существенном расхождении результатов необходимо разработать рекомендации для создания новой шины.

Изначально, для семейства МТС выбирались серийно выпускаемые шины. Предполагалось, что могут быть применены шины разного типоразмера и назначения, в том числе сельскохозяйственные. В первом приближении, исходя из нагрузки на колесо, компоновочных соображений и с учетом требований экологии земледелия были выбраны шины типа Свампер Боггер («скачущие по болотам») размерности 37.13.00-16LT. На рис. 9 представлен ее внешний вид. Эти шины предназначены для движения как по деформируемому грунту, так и по дорогам с твердым покрытием. Шины могут использоваться с пониженным внутренним давлением. Экспериментальная оценка эксплуатационных свойств и работоспособности упомянутых шин проводились на оборудовании ОАО «ФИИЦ М», г. Чехов.

Рис.11. Нагрузочная характеристика исследуемой шины (- - - расчетная шина, эксперимент)

малогабаритное транспортное средство сельскохозяйственный

Рис.12. Зависимость площадей контакта исследуемой шины от радиальной деформации (- - - расчетная шина, эксперимент)

В дальнейшем на опытных образцах МТС использовались несколько комплектов шин, подобранных из серийно выпускаемых моделей и имеющих близкие к расчетным характеристики. Исследуемая шина типа Свампер Боггер размерности 37.13.00-16LT по своим показателям заметно расходится с расчетными параметрами и для обеспечения требований экологии земледелия необходимо модернизировать данную шину путем снижения нормы слойности, увеличения податливости протектора, снижения ширины грунтозацепов и увеличения их угла наклона. Однако данные рекомендации не исключают необходимости создание новой модели шины, в большей степени удовлетворяющей предъявляемым требованиям.

В пятой главе приведены результаты исследований по разработке типажа и созданию опытных образцов МТС. Типаж МТС включает машины нескольких классов и предназначен для использования при проектировании. Класс МТС в качестве транспортного средства определяется в зависимости от грузоподъемности, а в качестве технологической машины - в зависимости от тягового усилия на крюке и оборотов вала отбора мощности. Для эффективного преодоления бездорожья МТС имеют достаточную энерговооруженность, усилитель рулевого управления и подвеску колес. При разработке типажа МТС задача состояла в том, чтобы добиться высоких эксплутационных характеристик не за счет абсолютного наращивания конструктивных или удельных параметров, а благодаря удачному компромиссу между ними.

Выбор агрегатной базы осуществлялся на основе максимально возможного применения серийных узлов и агрегатов, выпускаемых автомобильной и тракторной промышленностью РФ. Исходя из назначения и области применения МТС различных классов, при разработке технического проекта были изучены базовые технологии получения продуктов сельского хозяйства, типичные для основных видов товарного производства. Особое внимание было уделено технологическим адаптерам - набору рекомендуемых и нормируемых способов выполнения отдельных операций, процессов, эффективных в конкретных условиях производства.

Рис.13. Базовая характеристика шины:а) бетонная дорожка; b) стерня колосовых; с) поле, подготовленное под посев.



Рис.14. Тяговая характеристика шины:

а) бетонная дорожка; b) стерня колосовых; с) поле, подготовленное под посев.

С их помощью можно подобрать разнообразные варианты для выполнения вспомогательных работ в КФХ и ЛПХ при производстве различных продуктов растениеводства, определить шлейф навесного оборудований и т.п.



Рис.15. МТС НАМИ-233801 - «Самосвал с задней навеской и ВОМ». Компоновочная схема. Вид сбоку.

Рис.16. МТС НАМИ-233801 - «Самосвал с задней навеской и ВОМ». Компоновочная схема. Вид спереди.

Типаж МТС различных классов разработан на основе модульного принципа проектирования. На основе типажа были разработаны технического задания на образцы. В качестве примера на рис.17. и 18 приводится компоновочная схема одного из опытных образцов.

Разработаны принципы формирования художественного облика опытных образцов МТС. Разработана и изготовлена опытная оснастка, выбран полимерный материал АБС-пластик с полиметилметакрилатом для изготовления деталей внешней формы и интерьера методом вакуумного формования. В условиях ФГУП «НАМИ» построены 9 опытных образцов первой и второй серии (рис.17-22). Технические решения защищены 19 патентами на полезные модели, промышленные образцы и изобретения.

Рис.17. Опытные образцы МТС первой серии (особо малого, малого и среднего классов).

Рис.18. МТС - базовое шасси с навесным оборудованием и задним ВОМ.

Рис.19. МТС - самосвал с опрокидыванием грузовой платформы на три стороны, с навесным оборудованием и задним ВОМ



Рис.20. МТС - самосвал с надстроенными бортами, с навесным оборудованием и задним ВОМ

Рис.21. МТС - бортовой грузовой автомобиль с краном манипулятором.

Рис.22. МТС - опрыскиватель.

В дальнейшем опытные образцы МТС прошли экспериментальные исследования.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований опытных образцов МТС, которые были оснащены тремя комплектами колес в сборе с шинами специального, в том числе, сельскохозяйственного назначения.

Лабораторные и лабораторно-дорожные испытания проводились на стендовом оборудовании ФГУП «НАМИ», ОАО «ФИИЦ М» Кубанской МИС, где проверялись весогабаритные параметры, тормозные усилия и эффективность тормозной системы по каждому колесу, по бортам, по осям, в том числе по стояночному тормозу. Проверялась эффективность рулевого усилителя, работоспособность электрической системы, узлов и механизмов, а также функциональные возможности силовых гидравлических систем. Опытные образцы в основном соответствуют требованиям технического задания (ТЗ). Опытные образцы МТС были доставлены своим ходом на государственные приемочные испытания на Кубанскую МИС. Один образец МТС в виде бортового грузовика с краном манипулятором был направлен для испытаний в ОАО «ФИИЦ М», где проводились комплексные исследования (рис. 23-28).

Пробеговые испытания и маршруты были построены с целью максимального воздействия на ходовую систему МТС, а горная местность в достаточной мере обеспечивала нагрузку и силовой установке (рис. 29). Представленные образцы пробеговые испытания выдержали. При преодолении брода с гравийно-галечниковым дном, плавным въездом и выездом с углом наклона 8…13 град., длиной преодолеваемого брода более 15 м и глубиной 0,6…0,8 м, было отмечено, что МТС не всплывают, не пробуксовывают, движутся по заданному маршруту, справляясь с течением (потоком) воды.

Тяговая характеристика опытного образца МТС «Базовое шасси» на шинах модели Mitas TR-11 приведена в таблице 1. На треке с асфальтобетонным покрытием в качестве загружающего устройства использовалось устройство для воспроизведения тяговой нагрузки УВТН-100 на базе трактора К-700А (рис. 27). В рамках настоящей работы успешно выполнена адаптация к МТС двигателя фирмы Дойц, ведется также активное сотрудничество с ОАО «Дагдизель» по разработке дизеля специально для МТС. Сформулирован и подписан договор с ВМТЗ о намерениях по созданию модификации дизеля для серийных образцов МТС.

Рис.23. Определение угла продольной и поперечной устойчивости

Рис.24. Проведение комплексных дорожных испытаний

Рис.25. Преодоление брода



Рис.26. Полевые испытания в агрегате с культиватором.

Рис.27. Определение тягово-динамических характеристик

Рис.28. Полевые испытания по уборке кукурузы.

Однако были выявлены недостатки различного характера. Например, обнаружились частые отказы комплектующих деталей, приобретенных через торговую сеть. Детали собственной разработки испытания выдержали. В процессе испытаний усилиями конструкторов машины непрерывно дорабатывались. После внесения изменений отказы не повторились ни на одной из машин.

Для проверки параметров агрегатирования и проведения испытаний на выполнение технологических работ сельскохозяйственного назначения опытный образец МТС «Базовое шасси» агрегатировался с навесным культиватором для сплошной обработки почвы с шириной захвата 2,45 м (изготовленного на базе культиватора УСМК-5,4). Испытания проводились на почвенном полигоне Кубанской МИС (рис. 26). Результаты испытаний приведены в таблицах 2 и 3, а также в «Основных выводах и рекомендациях».

Для устранения недостатков, отраженных в основных выводах Протоколов испытаний был разработан План-график мероприятий, который был реализован в конце 2007 - в начале 2008 года.

Была проведена оценка эффективности (на примере перевозки песка) опытного образца МТС «Самосвал» по сравнению с автомобилем сопоставимого класса УАЗ-452Д, эксплуатационные данные которого брались из литературных источников (рис. 30). Анализ полученных данных подтверждает более высокую производительность опытного образца МТС.

Таблица 1.

Результаты тяговых испытаний опытного образца МТС «Базовое шасси»

Передача	При максимальной тяговой мощности	При макс. тяговом усилии	Атмосферные условия
	Тяговое усилие	Скорость, км/ч	Мощность, кВт	Частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1	Буксование колес, %	Колебание колес (галопирование), да/нет	Удельный расход топлива, г/кВтч	Условный тяговый КПД	Тяговое усилие, кН	Буксование колес, %	Температура воздуха, °С	Относительная влажность, %	Давление, кПа
1	9,8	10,3	28,0	2095	4,8	Нет	411	0,64	10,4	5,1	+3	70	90,6
2	11,3	8,4	26,2	2103	5,8	Нет	440	0,60	12,5	6,0
3	13,5	6,3	23,8	2110	7,5	Нет	483	0,54	14,7	7,8
4	16,2	5,1	22,8	2100	8,8	Нет	504	0,52	17,0	9,6
5	21,8	3,6	22,1	2110	13	Нет	520	0,50	23,0	15
6	23,0	1,8	11,5	2210	15	Нет	739	0,26	23,0	15

Таблица 2.

Эксплуатационно-технологические показатели опытного образца МТС «Базовое шасси» с культиватором

Показатель	Значение
Вид работ Режим работы: - скорость движения, км/ч - ширина захвата, м Производительность за 1 ч, га - основного времени - технологического времени - сменного времени - эксплуатационного времени Удельный расход топлива за время сменной работы, кг/га Эксплуатационно-технологические коэффициенты: - технологического обслуживания - надежности технологического процесса - использования сменного времени - использования эксплуатационного времени Количество обслуживающего персонала, чел.	Культивация 6,4 2,45 1,58 1,53 1,29 1,07 5,40 1 1 0,81 0,68 1

Рис. 29. Маршрут пробеговых испытаний

По тягово-сцепным показателям МТС гарантированно соответствует заявленному тяговому классу 0,9 и может агрегатироваться со шлейфом сельскохозяйственных машин тракторов класса 0,6…0,9. По воздействию на почву на шинах К-70 МТС с грузом 800 кг находится на одном уровне с универсально-пропашными тракторами классов 0,9…1,4. Из этого можно сделать вывод о значительных потенциальных возможностях, заложенных в конструкцию МТС в части увеличения тягового усилия на крюке.

По результатам государственных приемочных испытаний были оформлены соответствующий Протокол приемочной комиссии и подписан Акт установленного образца, подтверждающие положительные результаты испытаний. После доработки некоторых узлов два образца МТС на Автополигон НАМИ успешно прошли ресурсные испытания: заявленный ресурс был оценен как обоснованный.

Таблица 3.

Эксплуатационно-технологические показатели опытного образца МТС «Самосвал»

Показатель	Значение по видам испытаний
	1	2	3
Вид работ Режим работы: - скорость движения, км/ч Производительность за 1 ч, т/ткм - основного времени - технологического времени - сменного времени - эксплуатационного времени Удельный расход топлива за время сменной работы, кг/т/кг/ткм Эксплуатационно-технологические коэффициенты: - технологического обслуживания - надежности технологического процесса - использования сменного времени - использования экспл. времени Количество обслуживающего персонала, чел.	Перевозка отсева 2,3…65,4 0,74/2,74 0,68/2,54 0,62/2,30 0,57/2,12 3,01/0,81 0,97 1 0,84 0,77 1	Перевозка песка 2,3…65,4 0,83/3,04 0,73/3,72 0,66/2,46 0,61/2,25 2,75/0,69 0,99 1 0,79 0,73 1	Перевозка гравия 2,3…65,4 0,8/2,96 0,7/2,79 0,68/2,52 0,63/2,33 3,08/0,83 0,99 1 0,85 0,79 1

Рис. 30. Сравнение производительности бортового автомобиля УАЗ-452Д и опытного образца МТС - самосвала на перевозке песка в зависимости от изменения технической скорости и времени погрузки-разгрузки

Была проведена оценка экономической эффективности МТС при выпуске 30 тыс. машин в год. Расчетная себестоимость изделия составила 439800 руб., цена одного образца при рентабельности 20% - 527760 руб., а годовой экономический эффект при заявленной серии - 1,6 млрд. рублей.

...